封闭U型管在对比实验中的应用

谢丹敏 汤中华

摘要：针对上教版义务教育化学教科书中的实验内容，制作了封闭U型管实验装置，并应用于初中化学的微粒运动、微粒之间存在空隙、二氧化碳与氢氧化钠反应、高锰酸钾溶液褪色等多个对比实验中，取得了较好的效果。

关键词：封闭U型管；对比实验；微粒运动实验改进

文章编号：1005–6629（2016）4–0081–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学实验是学生获取科学文化知识、认识客观世界的重要途径。义务教育化学课程标准（2011版）明确指出：“应根据学校实际情况合理地选择实验形式，有条件的学校尽可能多地为学生提供动手做实验的机会；条件有限的学校，可采取教师演示实验或利用替代品进行实验，鼓励开展微型实验、家庭小实验等。[1]”因此设计、改进、创新化学实验在实验教学中显得尤为重要。而对比实验作为化学实验中运用得最多的方法之一，在激发学生探究欲望，培养学生发散思维和创造能力，优化学生实验认知过程等方面起着举足轻重的作用。为此，我们利用化学实验室常见的仪器和药品制作了封闭U型管，并将该实验装置应用于上教版义务教育教科书《化学》（九年级上、下册）多个对比实验中。

1 封闭U型管的制作

用小刀切碎蜡烛，取出石蜡，将适量石蜡加入U型管中，将U型管管口朝上，用铁夹水平固定在铁架台上，把装有石蜡部分浸在约80℃的热水浴中，待石蜡完全熔化后，移走水浴，让其在空气中自然冷却凝固，制成封闭U型管。实验装置如图1所示。

2 封闭U型管的创新应用

以上教版义务教育教科书《化学》（九年级上、下册）实验内容为例，介绍封闭U型管在实验中的创新应用。

2.1 微粒运动实验

2.1.1 教材上的实验内容及问题

重新配制甲溶液（向烧杯B中加入20mL蒸馏水，滴入2～3滴酚酞试液，得到溶液甲）。在烧杯B中加入3～5mL浓氨水，用一个大烧杯把两烧杯的溶液罩在一起，观察实验现象[2，3]。

通过实验我们发现以下不足：一次实验需3～5mL浓氨水，药品用量较大；实验体系并非全封闭，实验过程中氨气从大烧杯口挥发出来，产生的刺激性气味影响了课堂教学效果，损害了师生的健康；实验完毕后，大量氨气残留在大烧杯中难以处理，且实验并不能说明微粒运动速率与温度的关系。为此我们做了如下对比实验设计。

2.1.2 实验装置及药品

实验装置及药品如图2所示。

2.1.3 实验操作及现象解释

（1）取2张酚酞滤纸条（事先将滤纸用酚酞溶液浸泡、晾干备用），用蒸馏水润湿后，分别挂在细铁丝上。

（2）用胶头滴管吸取适量浓氨水，滴2～3滴于橡皮塞细端面上的孔内（事先在橡皮塞细端面上用钻孔器和小刀挖一个小孔），然后迅速塞上橡皮塞，观察到封闭U型管两侧玻璃管内的酚酞滤纸条自下而上变红，说明微粒在不断地运动。

（3）将封闭U型管的橡皮塞一端分别同时浸入装有等体积热水和冷水的烧杯中，观察到浸入装有热水烧杯的酚酞滤纸条向上变红的速率加快，说明温度越高，微粒运动速率越快。

（4）实验完毕后，打开橡皮塞滴加适量稀硫酸，塞上橡皮塞，振荡，可迅速消除氨气的污染。

2.2 微粒之间存在空隙实验

2.2.1 教材上的实验内容及问题

取一根约30cm长一端封口的细玻璃管，先往玻璃管中加入滴有红墨水的水，使其充满玻璃管容积的1/2，再滴入无水酒精，使其充满玻璃管。用手指堵紧开口的一端，颠倒数次[4]。

由于构成红色的水和无水酒精的微粒之间都存在空隙，当混合后，构成红色的水的微粒与构成无水酒精的微粒相互间填补了对方的空隙，所以导致玻璃管内有气泡，且管内有一段空柱。学生通过学习后，提出问题：“如果先往玻璃管中加入无水酒精，使其充满玻璃管容积的1/2，再滴入滴有红墨水的水，使其充满玻璃管。用手指堵紧开口的一端，颠倒数次。是否两次实验形成空柱的长短是一样呢？若不一样则原因是什么呢？为此我们做了如下对比实验设计。

2.2.2 实验装置及药品

实验装置及药品如图3所示。

2.2.3 实验操作及现象解释

（1）在封闭U型管两侧玻璃管约1/2处用记号笔做上记号，如图3装置中虚线部分。

（2）在封闭U型管左侧玻璃管内加入约1/2体积红色的水，右侧玻璃管内加入约1/2体积无水酒精。

（3）分别在左侧玻璃管内加入无水酒精，在右侧玻璃管内加入红色的水直至充满玻璃管，然后塞上橡皮塞，上下颠倒几次。

（4）静置后，封闭U型管左侧玻璃管内液面比右侧玻璃管内液面低，是因为封闭U型管右侧玻璃管内先加入无水酒精，再加入红色的水，由于水的密度比无水酒精的密度大，所以在加入红色的水的过程中，红色的水会和无水酒精混合，构成红色的水的微粒直接填补了无水酒精微粒之间的空隙。

2.3 二氧化碳与氢氧化钠反应实验

2.3.1 教材上的实验内容及问题

“常见的酸和碱”一节中关于CO2与NaOH的反应是这样描述的[5]：“NaOH溶液能吸收二氧化碳气体，发生如下反应：CO2+2NaOH=Na2CO3+ H2O”，并没有安排实验。即使将CO2通入NaOH溶液中，也没有明显的现象，因此学生缺乏对实验原理的感性认识。在教学中，一线化学教师为了呈现直观实验现象，优化实验教学效果，对该反应进行了多种实验设计[6，7]，实验装置如图4（a）～（d）所示。

实验没有检验反应后的产物，学生通过学习对实验现象提出了质疑：二氧化碳本身能溶于水，如果二氧化碳没有与NaOH反应，仅溶解于NaOH溶液的水中，气体量减少也能出现类似的实验现象。为此我们做了如下对比实验设计。

2.3.2 实验装置及药品

实验装置及药品如图5所示。

图5 CO2与NaOH溶液反应及溶解于水的对比实验装置

2.3.3 实验操作及现象解释

（1）用向上排空气法将封闭U型管两侧玻璃管内收集满二氧化碳后塞上橡皮塞。

（2）将封闭U型管两侧玻璃管同时插入分别装有等体积NaOH溶液和水的烧杯中。

（3）在烧杯液面下用镊子分别拔掉两侧玻璃管上的橡皮塞，观察到封闭U型管左侧玻璃管内液面比右侧玻璃管内液面高，说明左侧玻璃管内CO2与NaOH发生了反应，气体的量减少得多，而右侧玻璃管内仅是部分CO2溶于水，气体的量减少得相对较少，故出现上述实验现象。

2.4 高锰酸钾溶液褪色实验

2.4.1 教材上的实验内容及问题

在小烧杯A中加入少量浅紫红色的稀高锰酸钾溶液。取一根小木条，在一头蘸一些硫粉，并点燃，迅速伸入烧杯A中，片刻后取出小木条，振荡烧杯A，观察发生的现象[8]。

这个实验说明了二氧化硫能使高锰酸钾溶液褪色，可用高锰酸钾溶液来检验二氧化硫，学生通过学习后认为这个实验还不足以说明高锰酸钾溶液褪色的原因，木条里含有碳元素，燃烧后会生成二氧化碳，为什么不是二氧化碳使高锰酸钾溶液褪色了呢？为此我们做了如下对比实验设计。

2.4.2 实验装置及药品

实验装置及药品如图6所示。

2.4.3 实验操作及现象解释

（1）用两支装有橡皮塞的胶头滴管吸取少量稀高锰酸钾溶液。

（2）在封闭U型管左侧玻璃管内收集满SO2，右侧玻璃管内收集满CO2后，在封闭U型管两侧玻璃管口迅速塞上带有胶头滴管的橡皮塞。

（3）轻轻挤压左侧胶头，滴入几滴稀高锰酸钾溶液，发现玻璃管内稀高锰酸钾溶液褪色。然后轻轻挤压右侧胶头，滴入几滴稀高锰酸钾溶液，发现玻璃管内稀高锰酸钾溶液仍然为浅紫红色，说明二氧化硫与高锰酸钾反应使其褪色，而二氧化碳与高锰酸钾并不反应，所以稀高锰酸钾溶液不褪色。

3 实验优点

（1）装置简单，操作简便，药品使用量少；

（2）在封闭体系中进行实验，绿色、环保、无污染；

（3）通过控制变量，演示对比实验，激发学生探究兴趣，提高了学生分析问题、解决问题的能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011版）[S].北京：北京师范大学出版社，2011：35.

[2][4]中学化学国家课程标准研制组编著.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2012：63.

[3]谢丹敏，夏小琴.基于绿色化化学实验装置的设计与应用[J].化学教学，2009，（4）：15.

[5][8]中学化学国家课程标准研制组编著.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级下册）[M].上海：上海教育出版社，2012：46，108.

[6]马逸群，魏海.“探究微粒运动实验”系列设计[J].化学教学，2014，（8）：7.

[7]陈鉴辉.CO2与NaOH溶液反应实验的多样性设计[J].化学教学，2004，（7～8）：58～60.

[9]赵永胜，朱莉.验证二氧化碳与氢氧化钠反应的实验方案[J].化学教与学，2013，（12）：85～86.