十字型玻璃管改進化學實驗裝置

摘 要： 利用自制的十字型玻璃管作為反應裝置的主體，改進了“加熱碳酸氫銨”“探究燃燒條件”“氯氣的制備與性質”和“二氧化硫的制取與性質”四個實驗。改進后的實驗裝置具有使用方便，現象明顯，藥品用量少，環保無污染等優點，取得了較好的教學效果。

關鍵詞： 十字型玻璃管； 改進實驗； 自制教具

文章編號： 10056629（2024）10006404

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》明確指出：“可采取演示實驗或替代品進行實驗，鼓勵實驗的綠色化設計，開展微型實驗。［1］”而自制實驗教具的研制能夠改進與優化實驗效果，滿足個性化教學的需求，更好地服務實驗教學。本研究團隊從綠色化學理念出發，利用研制的十字型玻璃管與常規儀器用品的精巧組合，改進系列實驗，取得了較為顯著的教學效果。為了擴大十字型玻璃管的應用范圍，滿足加熱或高溫條件下的反應實驗，定制時特選擇了石英玻璃材質，其結構及相關尺寸如圖1所示。

下面結合具體的實驗改進與創新實例，介紹十字型玻璃管在四個改進的中學化學實驗中的作用。

1 加熱碳酸氫銨的實驗

現行上教版九年級化學教科書第1章第1節［2］編排加熱碳酸氫銨的實驗（裝置圖略）是通過將盛有碳酸氫銨的蒸發皿置于三腳架上，用酒精燈加熱來推測碳酸氫銨變少的原因。而將碳酸氫銨置于空氣中加熱，分解產生的氨氣污染環境，有損師生健康，不符合綠色化學理念。且對分解的產物也缺乏驗證。

為此我們利用十字型玻璃管改進該實驗，克服了原實驗存在的不足。

1.1 實驗原理

碳酸氫銨受熱會分解生成氨氣、水和二氧化碳，其化學方程式為：NH4HCoIygGsH8IgQLxRzxufMuYA==O3△NH3↑+H2O+CO2↑，氨氣溶于水能使酚酞溶液變紅，水蒸氣能使無水硫酸銅變藍，二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁，堿石灰可吸收水蒸氣和CO2。

1.2 實驗用品

十字型玻璃管、鐵架臺（帶鐵夾）、橡皮塞1只、膠頭滴管1支、小氣球2只、酒精燈1個、一次性醫用注射器（60mL）1支、藥匙、鑷子、托盤天平、打孔器；棉花團、碳酸氫銨、酚酞試紙、澄清石灰水、稀硫酸、無水硫酸銅、蒸餾水、堿石灰

1.3 實驗裝置

借助十字型玻璃管設計的實驗裝置見圖2（夾具略）。

1.4 實驗步驟及現象解釋

（1） 取一個十字型玻璃管，用藥匙向中間玻璃管

底部加入約0.5g碳酸氫銨固體后，將玻璃管固定在鐵架臺上。

（2） 用鑷子將裹有堿石灰的棉花團置于十字型玻璃管左側管內，稍左部位放一片濕潤的酚酞試紙；用藥匙取適量無水硫酸銅置于十字型玻璃管右側管內，稍右部位用浸有澄清石灰水的棉花團涂上澄清石灰水。

（3） 在十字型玻璃管左右側管口分別套上小氣球，上方管口塞上帶注射器（已吸入適量稀硫酸）的橡皮塞，用酒精燈外焰對準十字型玻璃管底部位置加熱，片刻后移去酒精燈，觀察管內的實驗現象。

（4） 十字型玻璃管左側管內濕潤的酚酞試紙逐漸變紅，說明生成了溶于水呈堿性的氨氣，右側管內無水硫酸銅粉末變藍，說明生成了水，涂有澄清石灰水的管內壁變模糊，說明生成了二氧化碳。

（5） 反應結束，裝置冷卻后，將十字型玻璃管上方注射器內稀硫酸推入管內，振蕩，進行多余氨氣的處理。

2 探究燃燒條件實驗

現行上教版九年級化學教科書第4章第1節［3］編排探究燃燒的條件的內容中沒有安排實驗，只是在“交流與討論”欄目設置問題串：1．所有的物質都能燃燒嗎？2．具有可燃性的物質在什么條件下能燃燒？用玻璃杯罩住燃著的小蠟燭，小蠟燭能長時間持續燃燒嗎？3．火柴、蠟燭、木條和煤，哪個比較容易被點燃？通過這樣三個問題要求學生根據生活經驗和已學知識思考問題和總結燃燒發生的條件。然而，由于學生個體的差異并不能使每個學生對燃燒發生的條件都會產生正確的認知，課后“練習與實踐”欄目［4］編排了使用紅磷和白磷分別置于銅片上的實驗來探究燃燒的條件（裝置圖略）。銅片上的白磷在空氣中燃燒生成五氧化二磷，不利于師生健康，還會和空氣中的水蒸氣反應生成有毒的偏磷酸，不符合綠色化學理念。為此，我們利用十字型玻璃管增補了無污染外溢的探究燃燒條件的新實驗。

2.1 實驗原理

白磷的著火點是40℃，當白磷與空氣或氧氣接觸，同時溫度達到其著火點，燃燒就能發生，反應的化學方程式為：4P+5O2點燃2P2O5；氫氧化鈉溶液能夠吸收五氧化二磷，反應的化學方程式為：P2O5+6NaOH2Na3PO4+3H2O。

2.2 實驗用品

十字型玻璃管、鐵架臺（帶鐵夾）、橡皮塞1只、小氣球2只、直角長導管1個、酒精燈1個、小刀、鑷子、濾紙、乳膠管、火柴、打孔器；白磷、80℃熱水（溶有適量NaOH）、罐裝氧氣

2.3 實驗裝置

借助十字型玻璃管設計的實驗裝置見圖3（夾具略）。

2.4 實驗步驟及現象解釋

（1） 取一個十字型玻璃管，固定在鐵架臺上，用鑷子向左右兩側管內分別放一塊綠豆般大小，已經用濾紙吸去表面水分的白磷，然后在左右兩側管口各套一個小氣球。

（2） 向中間玻璃管中加入一定量80℃溶有適量NaOH的熱水，用鑷子取一塊黃豆般大小的白磷投入熱水中，把帶導管的橡皮塞塞緊，然后將導管接上罐裝氧氣瓶。

（3） 點燃酒精燈，用外焰對準十字型玻璃管左側白磷部位加熱，不一會，管內左側白磷燃燒起來，而右側管內白磷不燃燒。然后打開罐裝氧氣瓶閥門，向中間管內熱水中緩緩通入氧氣后，管內底部的水下白磷燃燒起來。

（4） 十字型玻璃管左側管內白磷燃燒，右側管內白磷不燃燒，說明可燃物燃燒需要溫度達到其著火點；左側管內白磷燃燒，而在80℃熱水中的白磷不燃燒說明可燃物燃燒需要氧氣；從中間玻璃管上部的導管里通入氧氣后，管內水下的白磷燃燒起來，說明可燃物需要溫度達到其著火點同時與氧氣接觸才能燃燒。

（5） 反應結束，裝置冷卻后，將十字型玻璃管內液體充分振蕩，進行五氧化二磷的處理。

3 氯氣的制備與性質實驗

現行蘇教版普通高中教科書必修1專題3第一單元［5］編排有通過二氧化錳和濃鹽酸加熱反應制備氯氣的實驗（裝置圖略）。該方法制得的氯氣中含有一定量的水蒸氣和氯化氫，會影響后續安排的性質實驗［6］；每個實驗都需要單獨演示，氯氣的消耗量很大，需提前制備好氯氣備用，使實驗步驟較煩瑣，耗時也太長，極易造成有毒氣體的泄漏污染環境。為此，我們利用十字型玻璃管設計了現象明顯、安全環保、用藥微量化的氯氣制備及其性質實驗新裝置。

3.1 實驗原理

用高錳酸鉀和濃鹽酸混合，不需加熱，在常溫下就能反應生成Cl2，反應的化學方程式為：2KMnO4+16HCl（濃）2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑；使用飽和食鹽水可以減少Cl2因溶解造成的損耗，以及除去混在Cl2中的HCl；使用無水氯化鈣可以干燥Cl2，Cl2能使濕潤的淀粉KI試紙變藍，使濕潤的藍色石蕊試紙變紅；變紅的石蕊試紙和濕潤的紅色紙條退色，是Cl2與H2O反應生成的HClO具有漂白作用；多余的Cl2用NaOH溶液處理。

3.2 實驗用品

十字型玻璃管、鐵架臺（帶鐵夾）、橡皮塞3只、膠頭滴管1支、小氣球2只、玻璃管2根、50mL燒杯1只、一次性醫用注射器（60mL）1支、藥匙、鑷子、乳膠管、固體膠、托盤天平、打孔器；棉花團、KMnO4粉末、濃鹽酸、飽和食鹽水、蒸餾水、無水氯化鈣、氫氧化鈉溶液、淀粉KI試紙、藍色石蕊試紙、紅色紙條

3.3 實驗裝置

借助十字型玻璃管設計的實驗裝置見圖4（夾具略）。

3.4 實驗步驟及現象解釋

（1） 取一個十字型玻璃管，用藥匙向玻璃中管底部加入約1.0g KMnO4粉末，將玻璃管固定在鐵架臺上。

（2） 用鑷子將浸有適量飽和食鹽水和裹有無水氯化鈣固體的棉花團先后放置在十字型玻璃管左側向里位置，再取浸有適量飽和食鹽水的棉花團放置在十字型玻璃管右側向里位置。

（3） 將2根帶橡皮塞的玻璃管尾部用乳膠管套上小氣球，將其中1根玻璃管中上部用固體膠分別纏繞一圈干燥藍色石蕊試紙、干燥紅色紙條，另1根玻璃管中上部用固體膠分別纏繞一圈干燥藍色石蕊試紙、干燥紅色紙條、干燥淀粉KI試紙，然后用膠頭滴管對著試紙滴加1～2滴蒸餾水，形成濕潤試紙，將帶玻璃管（纏繞干燥試紙）的橡皮塞塞緊十字型玻璃管左側管，將帶玻璃管（纏繞濕潤試紙）的橡皮塞塞緊十字型玻璃管右側管。

（4） 用一次性醫用注射器吸取適量濃鹽酸，套上橡皮塞，再將帶注射器的橡皮塞塞緊十字型玻璃管中管上口。輕輕推動注射器栓塞，控制流速，使濃鹽酸緩緩流下，注入約2mL濃鹽酸，觀察管內實驗現象。

（5） 在十字型玻璃中管內產生黃綠色氣體，左側管內干燥藍色石蕊試紙不變色，右側管內濕潤藍色石蕊試紙先變紅又很快退色，說明Cl2本身沒有酸性，溶于水形成的氯水中不僅含有酸性物質HCl和HClO，而且HClO具有強氧化性；左側管內干燥紅色紙條不變色，右側管內濕潤紅色紙條退色，說明Cl2本身沒有漂白性，與H2O反應生成的HClO具有漂白性；右側管內濕潤淀粉KI試紙先變藍后退色，先變藍是因為Cl2的氧化性比I2強，Cl2將I-氧化成了單質碘。單質碘能使淀粉變藍，后退色是因為過量的Cl2將I2氧化成了IO－3。

（6） 反應結束后，將十字型玻璃中管上口的注射器換下，吸取一定量的氫氧化鈉溶液推入管內，進行多余氯氣及氯化氫的處理。

4 二氧化硫的制取與性質實驗

現行蘇教版普通高中化學教科書必修1專題4第一單元［7］編排了二氧化硫的幾個性質實驗，但沒有提及SO2的氧化性，加上每個實驗都需要單獨演示，需事先制備和收集好氣體，不僅操作煩瑣，而且易造成SO2逸散，污染環境。為此我們利用十字型玻璃管設計了現象十分明顯的二氧化硫的制取與性質檢驗新實驗，還增補了SO2的氧化性實驗。

4.1 實驗原理

用Na2SO3和濃硫酸混合，不需加熱，在常溫下就能反應生成SO2，反應的化學方程式為：Na2SO3+H2SO4（濃）Na2SO4+H2O+SO2↑；SO2溶于H2O生成H2SO3，H2SO3溶液顯酸性，能使石蕊溶液變紅；SO2能使KMnO4溶液退色，反應的化學方程式為：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4；SO2能與Na2S反應生成淡黃色的硫單質和亞硫酸鈉，反應的化學方程式為：3SO2+2Na2S3S↓+2Na2SO3；SO2具有漂白性，能使品紅溶液退色，對退色的溶液加熱，溶液顏色可以復原，說明SO2的漂白性是可逆的；多余的SO2用NaOH溶液處理。

4.2 實驗用品

十字型玻璃管、鐵架臺（帶鐵夾）、橡皮塞3只、小氣球2只、玻璃管2根、一次性醫用注射器（60mL）1支、藥匙、鑷子、乳膠管、固體膠、剪刀、托盤天平、打孔器；Na2SO3固體、濃硫酸、石蕊溶液、KMnO4溶液、Na2S溶液、品紅溶液、濾紙

4.3 實驗裝置

借助十字型玻璃管設計的實驗裝置見圖5（夾具略）。

4.4 實驗步驟及現象解釋

（1） 取一個十字型玻璃管，用藥匙向十字型玻璃中管底部加入約1.0g Na2SO3固體，將十字型玻璃管固定在鐵架臺上。

（2） 將2根帶橡皮塞的玻璃管尾部用乳膠管套上小氣球，將其中1根長玻璃管中上部用固體膠分別纏繞三個濾紙圈，然后從左往右，在濾紙圈上分別滴上Na2S溶液、KMnO4溶液、石蕊溶液，再將帶該長玻璃管（纏繞滴有各種溶液的濾紙）的橡皮塞塞緊十字型玻璃管左側管；用鑷子取一片滴有品紅溶液的濾紙條放在十字型玻璃管右側管內，然后塞上帶短玻璃管的橡皮塞。

（3） 用一次性醫用注射器吸入適量濃硫酸，再將注射器套上橡皮塞塞入玻璃試管中管上口，輕輕推動注射器栓塞，控制流速，使濃硫酸緩緩流下，注入約2mL濃硫酸，觀察管內實驗現象。

（4） 十字型玻璃管左側管內滴有石蕊溶液的濾紙變紅，說明SO2溶于水生成的H2SO3溶液具有酸性；滴有KMnO4溶液的濾紙退色，說明SO2具有還原性，能將MnO-4還原成Mn2+；滴有Na2S溶液的濾紙變黃，說明SO2具有氧化性，能將S2-氧化成S單質；右側管內滴有品紅溶液的濾紙退色，說明SO2具有漂白性，用酒精燈外焰對準退色的濾紙加熱，一會兒濾紙又變紅，說明SO2的漂白性是可逆的。

（5） 反應結束后，將十字型玻璃中管上口注射器換下，吸入一定量NaOH溶液推入管內，進行多余SO2的處理。

5 結語

十字型玻璃管既適合演示實驗，提升個性化實驗教學效果，也適合學生分組實驗。該裝置除了能應用于上述四個改進實驗外，還能用來探究二氧化碳的制取和性質實驗、探究CO和金屬氧化物等反應的實驗以及探究氮的氧化物的性質實驗等。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022： 43.

［2］［3］［4］中學化學國家課程標準研制組編著. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2017： 3， 93， 99.

［5］［6］［7］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學（必修第一冊）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 58， 61， 91.