双连试管在中学化学实验中的创新设计

时间：2024-05-04

姚亮发张贤金戴圣蓉

摘要：对中学化学三个不同版本的初中及高中必修教材中的“铜与浓硫酸反应”“分子在不停运动”“氨气与氯化氢反应”等三个实验进行分析并做了改进。用双连试管替代现行教材中的实验装置，充分利用双连试管构造上的特点，从试剂用量、装置设计和尾气处理等方面对原实验装置进行了改进及探究。改进后的实验可以减少试剂用量、缩短反应时间，有助于培养学生的探究能力及学科素养。

关键词：双连试管; 浓硫酸性质; 分子运动; 氨气性质; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2021）09-0072-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

初、高中化学不同版本教材中有部分气体实验需要在课堂上演示，而这些气体中有的有较强的刺激性，有的则属于有毒气体。由于受到实验装置和教室条件的限制，导致实验过程有部分气体逸散到教室中，污染了环境。双连试管[1]由两支试管组成，试管中上部由玻璃导管连接，试管与试管是互通的。笔者充分利用双连试管构造上的特点，对人教版、苏教版的初、高中化学教材的三个气体实验作了改进与创新，克服了原教材实验设计上的不足。新装置不仅减少了试剂用量、缩短了反应时间、解决了气体逸散等问题，还能使实验现象更加明显，起到了事半功倍的效果。

1 铜与浓硫酸反应

1.1 改进背景

苏教版高一《化学（必修第一册）》教材（2020年版）上设置有“铜与浓硫酸反应”的实验（装置如图1所示）。该设计在实际教学中存在以下不足：（1）该实验反应物用铜片，没办法随时控制反应的发生与停止，即使移走酒精灯后还会继续反应一段时间;（2）生成的二氧化硫气体与品红溶液和紫色石蕊溶液反应实验要分两次来做，操作上不够简练;（3）实验完成后容易造成液体倒吸现象;（4）尾气虽然通过氢氧化钠溶液进行处理，但实验中仍然会闻到强烈的刺激性气味，说明尾气吸收很不完全，逸散到空气中对教室造成污染。

1.2 改进思路

该实验有不少同仁作了改进[2，3]，这些改进虽然具有一定的优点，但还存在装置不够简练等问题。笔者从绿色化学以及便于操作的角度设计该实验，将其改进成全封闭体系，使二氧化硫气体与品红溶液、紫色石蕊溶液反应以及尾气处理一次性完成，缩短了反应时间，使操作更简便、装置更环保，能有效防止教室环境的污染。

实验用品：铁架台（带铁夹），酒精灯，18mm×160mm规格的双连试管，粗铜丝，软胶塞，80%的浓硫酸，品红溶液，紫色石蕊溶液，5%的氢氧化钠溶液，滤纸条，棉花团实验装置如图2所示。

1.3 实验步骤及操作要点

（1）用剪刀剪2条0.5cm×6.0cm规格的滤纸条，分别浸泡在紫色石蕊溶液和品红溶液中（可提前浸泡），取出后分别放在干燥的滤纸上吸去水分，使滤纸条竖立起来不会有水滴流出。

（2）将紫色石蕊溶液、品红溶液润湿过的滤纸条并排粘贴在双连试管的中上部，将双连试管固定在铁架台上。

（3）用滴管吸取2～3mL 80%左右的浓硫酸，小心滴入双连试管中（建议不用98%的浓硫酸，用98%的浓硫酸容易产生黑色物质和灰白色沉淀物，且反应后溶液颜色常常不显蓝色）。

（4）将粗铜丝穿过软胶塞，粗铜丝下端绕成螺旋状，将软胶塞塞紧试管口。

（5）先将棉花团塞紧双连试管的另一个试管口，再用滴管吸取5%氢氧化钠溶液将棉花团润湿。

（6）推动铜丝，使铜丝下端的螺旋状部分浸入浓硫酸中，无气泡产生。点燃酒精灯加热，随着浓硫酸温度的上升，铜丝表面产生气泡，溶液由无色逐渐变成蓝色。

（7）观察到紫色石蕊溶液浸泡過的滤纸条逐渐变成红色，说明二氧化硫具有酸性，品红溶液浸泡过的滤纸条逐渐褪色，说明二氧化硫具有漂白性。

（8）移走酒精灯，向上提拉铜丝，反应立即停止，多余的二氧化硫气体被试管口棉花团中的氢氧化钠溶液吸收，防止空气污染。

1.4 装置创新点

（1）新装置采用一体化设计，二氧化硫的酸性、漂白性两个性质实验短时间内一次性完成，实验操作十分简练。（2）用铜丝代替铜片，可随时控制反应的发生和停止，有效减少多余二氧化硫的生成。（3）实验过程不会造成液体倒吸现象。（4）用氢氧化钠溶液润湿的棉花团吸收二氧化硫气体，过程中没有闻到刺激性气味，说明尾气处理效果良好，有效防止了教室空气污染，体现了环保理念，培养了学生的环保意识。

2 分子在不停运动

2.1 改进背景

人教版九年级《化学（上册）》（2012年版）教材上有“分子在不停运动”的实验设计（装置如图3所示）。该设计在实际教学中存在以下不足：（1）消耗的药品量过多（烧杯中加入5mL浓氨水），产生强烈的刺激性气味影响到学生听课;（2）实验过程所需时间较长，从开始到可观察到实验现象约需要3～4分钟;（3）无法移动，实验的可视度不够。

2.2 改进思路

该实验改进已有不少报道[4，5]。笔者在不影响实验现象可见度的情况下，采用双连试管重新设计实验，使浓氨水的用量减少，并将教材中的敞口实验改成密闭装置，从源头上防止氨气逸出，有效避免了教室环境的污染。

实验用品：铁架台（带铁夹），18mm×160mm规格的双连试管，1mL规格的注射器，浓氨水，无色酚酞溶液，软胶塞，滤纸条，棉花团实验装置如图4所示。

2.3 实验步骤及操作要点

（1）用剪刀剪一条1.5cm×6.0cm规格的滤纸条，用滴管吸取无色酚酞溶液将滤纸条润湿，将滤纸条粘贴在双连试管的中上部。

（2）用注射器吸取0.2mL的浓氨水，将注射器穿过软胶塞并塞紧试管口，再将双连试管固定在铁架台上。

（3）将棉花团塞紧双连试管另一个试管口，用滴管吸取水将棉花团润湿。

（4）轻推注射器，将注射器中的浓氨水注入试管中。3～5秒时间，即观察到双连试管中上部的滤纸条从下往上逐渐变成红色，该实验现象说明分子在不停地运动。

（5）多余的氨气被试管口棉花团中的水吸收，防止空气污染。

2.4 装置创新点

（1）新装置与教材实验相比，药品用量减少，浓氨水只需0.2mL，而教材实验需要5mL。（2）实验时间短，3～5秒钟即可观察到实验现象，教材实验需要3～4分钟。（3）实验现象清晰可见，而教材实验因液面低，不易观察。实验设计将酚酞溶液改成竖放的用酚酞溶液润湿的滤纸条，提高了实验的可见度。（4）装置设计环保，有效防止空气污染。

3 氨气与氯化氢反应

3.1 改进背景

人教版高一《化学（必修第一册）》（2019年版）教材上有“氨气与氯化氢反应”的实验设计。该设计在实际教学中存在以下不足：（1）玻璃棒蘸取的浓盐酸、浓氨水容易滴在讲台桌上，腐蚀讲台桌面;（2）由于教师双手拿着玻璃棒，使打開的浓盐酸、浓氨水瓶无法及时盖上，实验过程中氯化氢、氨气以及反应生成的氯化铵均逸散到空气中，对教室造成污染。

3.2 改进思路

分析教材和同仁已有的改进案例[6]，笔者在确保不影响实验现象观察的情况下，从实验可操作性和防止教室污染的角度重新设计实验，将敞口实验改成密闭装置，使实验操作简单有序、现象明显，有效防止教室环境的污染。

实验用品：铁架台（带铁夹），18mm×160mm规格的双连试管，胶头滴管，单孔软胶塞，浓盐酸、浓氨水实验装置如图5所示。

3.3 实验步骤及操作要点

（1）将双连试管固定在铁架台上。

（2）打开浓氨水，取一支胶头滴管，吸取1mL左右的浓氨水（可根据实验班级数调整试剂用量），盖紧瓶盖。将滴管穿过软胶塞，将软胶塞塞紧双连试管的试管口。

（3）打开浓盐酸，另取一支胶头滴管，吸取1mL左右的浓盐酸（可根据实验班级数调整试剂用量），盖紧瓶盖。将滴管穿过软胶塞，将软胶塞塞紧双连试管另一个试管口。

（4）分别同时在双连试管中滴入2～3滴浓氨水和浓盐酸，2～3秒钟后即观察到滴浓盐酸的试管中产生白烟，由淡逐渐变浓。

该实验现象说明分子在不停地运动，当氨气遇到氯化氢气体时生成了氯化铵固体，相对分子质量小的分子比相对分子质量大的分子运动速度更快。

（5）更换新的双连试管，再分别滴入2～3滴浓氨水和浓盐酸，又会产生相同的实验现象。

3.4 装置创新点

（1）该装置操作有序，白烟由淡变浓，实验现象清晰可见，说明分子在不停地运动，且白烟保留时间更长久。（2）将教材中的敞口实验改成密闭实验，装置设计更环保，有效防止空气污染。（3）准备一次可重复多次实验，只需更换新的双连试管，1mL的试剂量可在多个任教班级做相同的实验。