“套管試驗”的創新設計和應用

李輝

【摘 要】化學是一門以實驗為基礎的自然科學，研究化學需要實驗，學習化學也離不開實驗。現行教材中的演示實驗雖使用多年，但某些實驗還是不夠完善，缺乏創造性，并且存在污染和浪費等缺點。

【關鍵詞】科學性原則;簡約性原則;安全性原則;創新

筆者在實驗教學中，利用現有的玻璃儀器，開發“套管實驗”，對中學教材中的多個實驗進行創新改進，取得了不錯的教學效果。

一、“套管實驗”的創新原則

“套管實驗”是將一只較小的玻璃儀器裝入另一玻璃儀器中，經組裝來完成原來需要兩套或多套普通玻璃儀器進行的實驗。整個套管實驗裝置處于封閉狀態，根據大小玻璃儀器是否連通可分為隔絕式和連通式（如圖1所示）。“套管實驗”的創新設計中要以科學性、簡約性和安全性為原則。

1.科學性原則

科學性是指設計的實驗原理、實驗裝置、實驗操作等必須科學，必須與化學理論知識和化學實驗方法一致。

2.簡約性原則

簡約性原則就是在保證安全的前提下，盡可能采用簡單的實驗裝置，用較少的實驗步驟和實驗藥品，在較短的時間內取得較明顯的實驗結果，以突出實驗過程的重點，避免因裝置和操作過于復雜或反應緩慢而分散學生的注意力。

3.安全性原則

安全性是指設計實驗方案時必須考慮實驗過程的安全，避免使用有毒物質和進行有危險性的實驗操作，盡量設計成綠色化學實驗，防止引起人身傷害和造成環境污染。

二、“套管實驗”的創新實例

1.銅和濃硝酸的反應實驗1：具支試管上套上一支氣球，使體系處于封閉狀態（如圖2）。向具支試管中加入少量的NaOH溶液，向小試管（直徑1.2cm）中加人1mL濃硝酸，塞上帶有銅絲的橡皮塞。把銅絲插入到小試管中斷硝酸中，銅與濃硝酸反應產生紅棕色的氣體，小試管中的溶液變藍，抽拉銅絲可控制反應。實驗中產生太多的N02可暫時貯存在氣球中，一段時間后體系中的N02：被NaOH溶液吸收，有效地防止N02：向大氣中排放。

實驗2：在一小試管中放人銅片，置于盛氫氧化鈉溶液的燒杯中（如圖3），然后在小試管中滴人一滴管濃硝酸，迅即將大試管倒扣在小試管上。觀察到小試管中溶液變藍，大試管上部充滿紅棕色氣體，隨后發現大試管內液面上升，產生的N02被Na0H溶液吸收，大試管內的氣體顏色變淺。

2.二氧化硫的性質實驗3：具支試管上套上一支氣球，使體系處于封閉狀態（如圖4）。向具支試管中加入少量的品紅溶液，向小試管加少量亞硫酸鈉粉末，塞上帶有膠頭滴管的橡皮塞。膠頭滴管內吸存少量的濃硫酸，滴管口對準小試管。擠壓膠頭滴管，濃硫酸滴人亞硫酸鈉中，產生二氧化硫，使具支試管中的品紅溶液褪色。用酒精燈加熱具支試管（注意晶紅的液面不要過高），褪色后的昂紅又變紅，且氣球鼓起。該實驗裝置還可以推廣到二氧化硫的其他性質實驗以及氯氣的性質實驗。

實驗4：濃硫酸與亞硫酸鈉反應可產生S02：，在課堂演示實驗中，也可以采用燃燒火柴，產生S02，來進行性質實驗。檢驗S02：是酸性氣體，可采用如圖5裝置，小試管中加人少量的火柴頭，大試管中加入含有酚酞的NaOH溶液，加熱小試管，火柴燃燒，產生的S02與NaOH溶液反應，酚酞溶液褪色。實驗裝置中的NaOH溶液還可以換成溴水、有色鮮花等進行S02的其他性質實驗。

3.制取和收集密度小的氣體實驗5：在氨氣的噴泉實驗中，圓底燒瓶集滿氨氣的操作很麻煩。為了簡化實驗步驟，提高實驗效果，利用套管實驗的原理將氣體的制取和收集改進成如圖6裝置。向小試管中加入氧化鈣（或氫氧化圖6實驗裝置鈉固體）和濃氨水，再向小試管上方倒扣一個圓底燒瓶，很快就可收集滿氨氣，這樣的操作非常簡捷。

實驗6：利用套管實驗演示鈉與醇的反應，僅用一大一小兩試管就可以完成，同時也可以進行爆鳴實驗，如圖7。

實驗時，向小試管中加人乙醇和鈉，再向小試管上方倒扣一支大試管，反應開始后，空氣由兩只試管間的空隙逸出，圖7實驗裝置而氫氣進入大試管。慢慢將大試管提起，即可獲得一試管氫氣。

4.隔絕式套管實驗在上面的套管實驗設計中，套管中的大小玻璃儀器都是相通的。如果將大小玻璃儀器各自封閉隔絕，也有著廣泛的應用。

實驗7：碳酸鈉和碳酸氫鈉的穩定性比較實驗，可采用如圖8所示的隔絕式套管實驗。

實驗8：過氧化鈉與水反應的實驗，教材中做了兩個實驗，一個是把水滴人盛有過氧化鈉固體的試管，立即用帶火星的木條檢驗產生的氣體;另一個是用脫脂棉包住約0.2g過氧化鈉粉末，置于石棉網上，往脫脂棉上滴水，可觀察到脫脂棉劇烈燃燒起來，說明反應放熱。如果采用隔絕式套管實驗（如圖9），將兩個實驗合二為一，可以達到相同的實驗效果，還可以節約藥品。當向小試管中滴入水后，將帶火星的木條靠近導管口A處，木條復燃，則說明有氧氣生成;將導管B放入水中，有氣泡產生則說明反應為放熱反應。

三、評價與總結

套管實驗具有操作簡便、原料節約、現象連續、易 ?于對比產減少污染等優點，宜在中學化學實驗中大力 ?推廣。總之，實驗教學的創新是化學教學改革中永恒的主題，教材中的部分傳統演示實驗，只要教師在教學實踐中勤于實驗，善于總結，敢于創新，一點點的改進都會帶來許多意想不到的收獲。

（作者單位：遼寧省本溪市第四高級中學）