直角試管改進(jìn)裝置用于幾個化學(xué)實驗的嘗試

徐作培，李德前，周珊珊

摘要： 將普通試管改制為直角試管。借助直角試管改進(jìn)了教學(xué)中常見的檢驗火柴頭中硫元素、比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性、CO還原氧化銅等實驗，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 直角試管； 實驗改進(jìn)； 化學(xué)實驗

文章編號： 1005-6629（2023）02-0065-04? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

將普通的試管做成直角形狀，就相當(dāng)于將兩支相互垂直的普通試管融為一體了。因為這個特殊而巧妙的結(jié)構(gòu)，使得直角試管內(nèi)可以同時放置三種不同狀態(tài)的藥品（或試劑），因而可以進(jìn)行多種實驗。為了擴(kuò)大直角試管的適用范圍，我們在定制時選用了石英玻璃材質(zhì)，圖1所示就是2cm×15cm×15cm石英材質(zhì)直角試管，其外徑是2cm，豎直支管和水平支管的長度均是15cm。

下面結(jié)合具體的實驗改進(jìn)案例，介紹直角試管在中學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用。

1? 檢驗火柴頭中含有硫元素實驗

現(xiàn)行江蘇教育出版社出版的普通高中《實驗化學(xué)》教科書中安排了檢驗火柴頭中硫元素實驗，現(xiàn)行上海教育出版社出版的九年級化學(xué)教科書（全國版）中安排了檢驗二氧化硫?qū)嶒?，兩個實驗均使用圖2所示的實驗裝置［1，2］。上述實驗設(shè)計，不僅操作繁瑣，而且環(huán)保措施不足，尤其是捕獲的二氧化硫的量很少，致使實驗現(xiàn)象不夠明顯。

我們借助直角試管對上述實驗進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，取得了顯著的實驗教學(xué)效果。

1.1? 實驗用品

火柴頭、高錳酸鉀稀溶液；2cm×15cm×15cm直角試管、2000mW激光筆、小氣球、鑷子、鐵架臺

1.2? 實驗裝置

借助直角試管設(shè)計的實驗裝置如圖3所示（夾持裝置略）。

1.3? 實驗步驟

（1） 取一支直角試管，將10mL左右的高錳酸鉀稀溶液注入試管底部，再將直角試管固定到鐵架臺上。

（2） 將兩粒火柴頭放置于直角試管的水平支管中部，然后將一個小氣球直接套接在試管口上（確保裝置不漏氣），最后按圖3所示安裝好整個實驗裝置。

（3） 打開激光筆，旋轉(zhuǎn)激光筆的透鏡，使其發(fā)射的光線聚焦在試管內(nèi)的火柴頭上，很快火柴頭“噗”的一聲爆燃起來，并伴隨冒起幾縷白煙；稍后，高錳酸鉀稀溶液褪為肉色甚至無色。以上實驗現(xiàn)象證明，火柴頭燃燒產(chǎn)生了二氧化硫氣體（有關(guān)的化學(xué)方程式是S+O2點(diǎn)燃SO2、 2Sb2S3+11O2點(diǎn)燃2Sb2O5+6SO［3］2），進(jìn)而可知火柴頭中含有硫元素。

（4） 實驗結(jié)束，處理實驗尾氣（輕輕振蕩高錳酸鉀溶液），整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗報告。

1.4? 幾點(diǎn)說明

（1） 利用鐵架臺固定直角試管時，一般將鐵夾夾持在直角試管的豎直支管中部（下同）。

（2） 火柴頭選用2～3粒即可，不宜過多，以防火柴頭爆燃時沖掉小氣球。

（3） 在處理實驗尾氣時，為了使二氧化硫氣體能被高錳酸鉀稀溶液充分吸收，高錳酸鉀稀溶液以10mL左右為宜。

（4） 本實驗也可以使用圖4所示的實驗裝置，在通過激光筆引爆火柴頭后，很快觀察到品紅試紙褪色，從而說明火柴頭燃燒生成了二氧化硫氣體。

2? 比較碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性實驗

在比較碳酸鈉、碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性時大都采用“套管實驗”（裝置如圖5所示），雖然實驗的對比性強(qiáng)，但是實驗裝置組裝起來非常麻煩。

我們利用直角試管優(yōu)化上述實驗，簡化了實驗裝置，方便了實驗操作。

2.1? 實驗用品

碳酸鈉、碳酸氫鈉；2cm×15cm×15cm直角試管、配套的單孔橡皮塞、小氣球、酒精燈、藥匙、鐵架臺、計時器

2.2? 實驗裝置

借助直角試管設(shè)計的實驗裝置如圖6所示（夾持裝置略）。

2.3? 實驗步驟

（1） 準(zhǔn)備一支直角試管，先向試管底部加入兩藥匙碳酸氫鈉粉末，再向直角試管的水平支管中部加入兩藥匙碳酸鈉粉末，然后將直角試管固定在鐵架臺上。

（2） 先將小氣球套在大小合適的單孔橡皮塞大頭上，再將單孔橡皮塞塞到試管口上（確保裝置氣密性良好），然后按圖6所示安裝好整個實驗裝置。

（3） 點(diǎn)燃酒精燈，先加熱碳酸鈉2.5min，觀察到該白色粉末沒有明顯變化，小氣球的大小沒有明顯的改變；再加熱碳酸氫鈉2.5min，觀察到白色粉末逐漸減少，試管內(nèi)壁附有較多的水珠，而且小氣球逐漸變大。上述實驗現(xiàn)象可以說明，在相同的條件下，碳酸鈉熱穩(wěn)定性強(qiáng)，受熱不易分解；碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性差，受熱易分解（有關(guān)的化學(xué)方程式是2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑）。

（4） 實驗結(jié)束，整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗報告。

2.4? 幾點(diǎn)說明

（1） 也可以將碳酸鈉放在直角試管的底部，碳酸氫鈉放在直角試管水平支管的中部。

（2） 也可以先加熱碳酸氫鈉（觀察到小氣球逐漸變大），再加熱碳酸鈉（觀察到小氣球的大小保持不變）。

3? CO還原氧化銅實驗

現(xiàn)行人民教育出版社出版的九年級化學(xué)教科書中只呈現(xiàn)了CO還原氧化銅的化學(xué)方程式，而沒有設(shè)計相關(guān)的化學(xué)實驗［4］。一線教師在進(jìn)行CO還原氧化銅實驗時，傳統(tǒng)的方法都需要預(yù)先借助濃硫酸制好CO，而在危險化學(xué)品管制升級的情況下，獲得濃硫酸并制備CO著實是一件有風(fēng)險的事情。

受相關(guān)文獻(xiàn)資料的啟發(fā)［5］，借助直角試管，不使用濃硫酸，設(shè)計出CO還原氧化銅的一體化裝置，充分體現(xiàn)出改進(jìn)實驗的簡約性、環(huán)保性與綜合性。

3.1? 實驗用品

木炭、二氧化碳?xì)怏w、表面燒黑的銅片、氯化鈀試紙；2cm×15cm×15cm直角試管、配套的單孔橡皮塞、小氣球、立式防風(fēng)打火機(jī)（溫度可達(dá)1100℃）、鑷子、鐵架臺

3.2? 實驗裝置

借助直角試管設(shè)計的CO還原氧化銅一體化實驗裝置如圖7所示（夾持裝置略）。

3.3? 實驗步驟

（1） 取一支直角試管，先向試管底部加入幾小塊木炭，然后將直角試管固定在鐵架臺上。

（2） 在直角試管的水平支管的中部放置一塊表面燒黑的銅片，在水平支管中部的側(cè)壁上附著一張濕潤的氯化鈀試紙，最后用向上排空氣法在直角試管里集滿二氧化碳?xì)怏w。

（3） 立即將套有小氣球的單孔橡皮塞塞到試管口上（要確保裝置不漏氣），最后按圖7所示安裝好整個實驗裝置。

（4） 打開立式防風(fēng)打火機(jī)的氣體控制閥，按下打火開關(guān)，打火機(jī)立即噴出上千度的藍(lán)色火苗。將火焰對準(zhǔn)木炭加熱3min左右，不難發(fā)現(xiàn)，小氣球逐漸變大，濕潤的氯化鈀試紙逐漸變?yōu)樗{(lán)色（有關(guān)的化學(xué)方程式是C+CO2高溫2CO、 CO+PdCl2+H2OCO2+Pd↓+2HCl），證明直角試管里已有較多的CO。

（5） 再將打火機(jī)火焰對準(zhǔn)燒黑的銅片加熱2min左右，銅片逐漸變?yōu)榧t色（有關(guān)的化學(xué)方程式是CO+CuO△Cu+CO2或CO+2CuO△Cu2O+CO2），有力地證明了CO具有還原性。

（6） 實驗結(jié)束，處理實驗尾氣（可將小氣球內(nèi)的氣體點(diǎn)火燒掉），整理實驗用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗報告。

3.4? 幾點(diǎn)說明

（1） 在將小氣球套接到試管口上時，要確保氣球是癟的（里面不殘留空氣），否則會降低實驗體系內(nèi)CO氣體的濃度，影響后續(xù)還原反應(yīng)的效果。

（2） 上述實驗裝置也適用于CO還原氧化鐵的實驗。

借助直角試管還可以改進(jìn)開發(fā)出“加熱銅綠”“二氧化錳催化作用”“檢驗銨態(tài)氮肥”“鐵粉與硫粉的反應(yīng)”等實驗。

參考文獻(xiàn)：

［1］王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1［M］. 南京：江蘇教育出版社， 2014：32～33.

［2］中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級下冊）［M］. 上海：上海教育出版社， 2015：108.

［3］王永臻， 魏海， 李德前. 檢驗二氧化硫?qū)嶒灥慕M合設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019，（2）：70～72.

［4］課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）［M］. 北京：人民教育出版社， 2012：122.

［5］仇榮亞， 李德前.對一氧化碳還原氧化銅一體化實驗的優(yōu)化設(shè)計［J］.中國現(xiàn)代教育裝備， 2022，（6）：71～72.