摘 要： 借助一組可自由聯(lián)結(jié)的玻璃儀器進行實驗裝置的設(shè)計和改進。以乙醇與鈉反應(yīng)、濃硫酸與銅反應(yīng)、硝酸與銅反應(yīng)為例，通過分析實驗的原理和目的、針對實驗中的問題，改進實驗裝置并完成實驗。玻璃儀器多樣化的組合方式靈活實用，操作方便，有助于激發(fā)學生興趣、啟迪思維、促進理解、培養(yǎng)能力。

關(guān)鍵詞： 玻璃儀器組合； 實驗裝置設(shè)計； 實驗改進； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）08007404

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

化學實驗是發(fā)展學生科學探究與創(chuàng)新精神的有效路徑［１］。化學實驗的開展，離不開多樣化的化學實驗儀器［２］。目前中學化學實驗室配備的大都是試管、燒杯、滴定管之類的常規(guī)儀器，在完成部分中學化學實驗時，還存在組裝較復(fù)雜、藥品用量大、反應(yīng)不可控、用時過長等問題。實驗教學中，教師多以演示為主、視頻為輔的方式呈現(xiàn)教材實驗，學生只是觀看實驗，或依葫蘆畫樣地做實驗，因而走不出實驗定勢思維，打不開實驗創(chuàng)新之門。

創(chuàng)新通常是依托對舊事物進行改造升級，對現(xiàn)有化學儀器的改進、升級和使用是發(fā)展學生創(chuàng)新意識的有效抓手。查閱資料，總結(jié)目前中學化學實驗儀器的創(chuàng)新主要有三類： 一是對現(xiàn)有儀器進行組合，開發(fā)其新功能，實現(xiàn)“一器多用”或“多器一用”的創(chuàng)新效果，如葉永謙［３］等通過組合法對工業(yè)制備鹽酸的演示裝置做了新設(shè)計，謝莉芳［４］巧用干燥管進行乙炔化學性質(zhì)的實驗；二是借助注射器、三通閥等醫(yī)用設(shè)備與常用儀器的組合實現(xiàn)儀器創(chuàng)新，如劉江［５］等用具支試管、一次性醫(yī)用輸液器瓶塞穿刺器等組合設(shè)計出氣體制備及性質(zhì)驗證一體化新裝置，魏海［６］等用雙注射器組合裝置完成以銅與硝酸反應(yīng)的系列實驗；三是針對某特定實驗設(shè)計定制的專用的實驗儀器，如周密［７］等用定制N形管和三通閥改進銅與濃硫酸的反應(yīng)實驗。這些創(chuàng)新與改進實驗雖然一定程度上解決了某些常規(guī)實驗出現(xiàn)的諸如“裝置復(fù)雜”“現(xiàn)象不明顯”“試劑用量大”“有污染”“倒吸”等問題，但大部分實驗改進與創(chuàng)新的主角仍是教師，學生只是作為旁觀者，缺乏親力親為的體驗感。

鑒于此，本研究著眼于化學實驗儀器的改進，定制了一組方便靈活組裝、適用于學生操作的通用儀器，旨在實驗教學中有益于“做中學，學中做，做中求變，做中求進步”。

2 實驗儀器

利用相切合的標準內(nèi)磨口、外磨口與具支試管、分液漏斗、膠頭滴管、導管等常用儀器相結(jié)合，設(shè)計并定制了一組儀器。

2.1 標準雙磨口反應(yīng)試管

如圖1所示，反應(yīng)試管外徑20mm，高度150mm或100mm，兩種試管的雙口均為標準內(nèi)磨口，可與帶外磨口的其他定制儀器及實驗室?guī)タ诘某Ｒ?guī)儀器直接聯(lián)結(jié)組合。

2.2 磨口膠頭滴管、分液漏斗

如圖2所示，把膠頭滴管的中部、分液漏斗的下端外側(cè)改成標準外磨口，在實驗中可快速穩(wěn)定地聯(lián)結(jié)，其用途也得到進一步的開發(fā)和拓展，如膠頭滴管代替尖嘴管點燃氣體等（如圖4），分液漏斗可疊加、干燥管可橫向使用（如圖5、圖6）。

2.3 小導管、末端直角小導管

如圖3所示，小導管總長60～90mm，有直形（兩側(cè)均為外磨口）和球形小導管（一側(cè)內(nèi)磨口，另一側(cè)外磨口）兩種。直形小導管通常用于磨口轉(zhuǎn)接、中部可放置試紙或極少量藥品；球形小導管內(nèi)可放置少量藥品試劑，用于氣體檢驗、干燥和尾氣吸收，也可作為反應(yīng)儀器直接加熱。通過反復(fù)試驗，綜合考慮藥品用量、方便取放試劑、保證放置棉團時氣體通過不堵塞以及美觀等因素，球形導管中間凸起的圓球內(nèi)徑定制為2.5mm左右。末端直角小導管采用單側(cè)內(nèi)磨口設(shè)計，通常在裝置末端用于點燃氣體或通往燒杯、水槽等儀器用于氣體收集或尾氣吸收等。

3 實驗應(yīng)用

3.1 乙醇與鈉反應(yīng)

3.1.1 設(shè)計裝置

學生分析乙醇與鈉反應(yīng)原理及教材［８］實驗，選擇150mm雙磨口反應(yīng)試管、直形小導管、直角小導管或膠頭滴管尖嘴管，組合設(shè)計出圖4（a）中幾種裝置。

（a）

（b）

3.1.2 改進裝置

圖4（a）中幾種裝置均能順利完成氣體發(fā)生與點燃的實驗，但在檢驗燃燒產(chǎn)物時，學生發(fā)現(xiàn)有使澄清石灰水變渾濁的二氧化碳生成，分析得出可能是揮發(fā)出來的乙醇燃燒后的干擾。查閱資料［９］后得出可用無水氯化鈣排除乙醇的干擾，于是在點燃前加一個裝有無水氯化鈣的球形小導管，設(shè)計的裝置如圖4（b）所示。

3.1.3 實驗步驟

（1） 按圖4（b）連接裝置，裝入試劑。

（2） 傾斜反應(yīng)管，使金屬鈉落入乙醇中迅速反應(yīng)，固體表面產(chǎn)生大量的無色氣泡。

（3） 用小試管收集氣體并驗純，然后點燃尖嘴導管處氣體，火焰明亮。

（4） 將干燥的小燒杯罩在火焰上，待燒杯壁出現(xiàn)液滴后，翻轉(zhuǎn)燒杯，向其中加入少量澄清石灰水，燒杯壁未發(fā)現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，說明燃燒產(chǎn)物無二氧化碳。

3.2 濃硫酸與銅反應(yīng)

3.2.1 設(shè)計裝置

學生用定制儀器組合設(shè)計出濃硫酸與銅的反應(yīng)裝置圖5（a）。

3.2.2 改進裝置

若按照圖5（a）裝置完成實驗時雖然操作簡單、現(xiàn)

（a）

（b）

象明顯、能防倒吸，但存在無法控制反應(yīng)、氫氧化鈉棉團吸收尾氣不完全、裝置中剩余的二氧化硫氣體會造成污染、加熱反應(yīng)后反應(yīng)管中出現(xiàn)大量黑色固體物質(zhì)且溶液冷卻后加入水中顯藍色不明顯、缺少二氧化硫還原性的檢驗等問題。

為了解決以上問題，學生查閱資料，反復(fù)嘗試對比多種組合，設(shè)計的改進裝置如圖5（b）所示。

3.2.3 實驗步驟

（1） 按圖5（b）組裝儀器，檢查氣密性、裝藥品。反應(yīng)試管內(nèi)是打磨過的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折成螺旋狀，通過磁環(huán)控制反應(yīng)。

（2） 點燃酒精燈1，加熱濃硫酸至表面產(chǎn)生少量白霧，將磁環(huán)向下移動，讓銅絲與濃硫酸接觸，半分鐘左右，反應(yīng)試管內(nèi)銅與濃硫酸開始劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量白霧；兩分鐘左右，浸有品紅的棉團、高錳酸鉀的棉團先后逐漸退色，潤濕的紫色石蕊試液變紅，即驗證了二氧化硫的漂白性、還原性及酸性。

（3） 熄滅酒精燈1，將磁環(huán)向上移動，終止反應(yīng)；反應(yīng)試管內(nèi)有灰白色沉淀，溶液呈現(xiàn)灰黑色。點燃酒精燈2，加熱浸有品紅溶液棉團的球形小導管，品紅恢復(fù)紅色。

（4） 待溶液冷卻后，取下最上端裝有氫氧化鈉溶液的分液漏斗（便于蒸餾水順利滴下），打開K1，讓分液漏斗內(nèi)的蒸餾水全部緩慢滴入反應(yīng)試管，關(guān)閉K1，該過程可觀察到反應(yīng)試管底部灰白色沉淀逐漸溶解，溶液中漂浮著少量黑色小顆粒固體，溶液呈明顯藍色。

（5） 裝上氫氧化鈉溶液的分液漏斗，打開K1、 K2，讓氫氧化鈉溶液緩慢滴入反應(yīng)試管中吸收剩余的二氧化硫，此時還可看到反應(yīng)試管內(nèi)的溶液出現(xiàn)明顯的藍色絮狀沉淀。

3.3 硝酸與銅反應(yīng)

3.3.1 設(shè)計裝置

分析實驗原理，結(jié)合教材實驗［10］，學生設(shè)計的裝置如圖6（a）所示。

（a）

（b）

3.3.2 改進裝置

學生發(fā)現(xiàn)若用圖6（a）完成實驗雖然對比現(xiàn)象明顯，但存在反應(yīng)不可控、藥品用量大、易倒吸、無法驗證一氧化氮、留在裝置內(nèi)的有害氣體可能逸出污染環(huán)境等問題。基于此，學生再次組合儀器，改進裝置，設(shè)計出圖6（b）裝置解決了上述問題。

3.3.3 實驗步驟

（1） 按圖6（b）組裝儀器，檢查氣密性、裝藥品。反應(yīng)試管內(nèi)是打磨過的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折成螺旋狀，通過條形磁鐵控制反應(yīng)。

（2） 打開K1，向下移動磁鐵，使銅絲與濃硝酸接觸反應(yīng)，試管內(nèi)迅速產(chǎn)生紅棕色的氣體，溶液變成綠色，氣球稍微鼓起。

（3） 移動磁鐵使銅離開硝酸液面3cm左右，反應(yīng)停止，捏癟氣球，打開K2，讓蒸餾水全部滴入反應(yīng)試管后立即關(guān)閉K2，試管內(nèi)紅棕色變淺，溶液變成淺藍色。

（4） 移動銅絲與稀硝酸接觸反應(yīng)，其表面產(chǎn)生無色氣泡，產(chǎn)生的氣體將裝置內(nèi)紅棕色氣體趕到分液漏斗1和氣球中，反應(yīng)試管內(nèi)的紅棕色消失。

（5） 在分液漏斗2上套一個氣球后打開K2，關(guān)閉K1，此時反應(yīng)試管內(nèi)無色氣體上升進入分液漏斗2中與其中空氣接觸，可觀察到有紅棕色氣體生成。

（6） 通過磁鐵分離反應(yīng)試管內(nèi)的銅與硝酸，反應(yīng)停止，向左90度傾斜裝置，打開K1，擠壓氣球，讓分液漏斗1中的氫氧化鈉溶液進入反應(yīng)試管吸收裝置內(nèi)剩余的有害氣體。

4 結(jié)語

借助定制實驗儀器組裝反應(yīng)裝置有以下優(yōu)點：

（1） 通用性?？梢酝ㄟ^儀器組合設(shè)計出各類氣體的發(fā)生、除雜、收集、尾氣處理等裝置，因此適用于中學階段大部分氣體的探究實驗。

（2） 靈活性。原本實驗中氣體性質(zhì)的檢驗常用試紙或浸潤某種溶液的棉團按順序擺放在封閉體系中，放置藥品、調(diào)整順序等很不方便，而改進儀器在實驗中可以靈活組合，也可隨時拆分，局部調(diào)換，非常方便。

（3） 激趣、激思、促創(chuàng)新。

學生用這組改進儀器可進行多種組合，可以設(shè)計出多種個性化的實驗裝置，而且裝置小巧美觀、組合方便，隨手就可快速地用實物儀器搭建出想象中的實驗裝置圖來。

參考文獻：

［1］姚毅. 淺談基于實驗教學培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)［J］. 化學周刊， 2018， （10）： 112.

［2］顏標峰. 化學實驗儀器中創(chuàng)新設(shè)計資源的開發(fā)與實踐［J］. 課程視野， 2017， （1）： 43.

［3］葉永謙， 葉燕珠， 張賢金等. 組合法在化學儀器創(chuàng)新中的運用——以工業(yè)制備鹽酸演示裝置的設(shè)計為例［J］. 化學教育， 2020， （21）： 63～66.

［4］謝莉芳. 巧用干燥管做乙炔化學性質(zhì)實驗［J］. 實驗教學與儀器， 2023， （8）： 47.

［5］劉江， 洪俊華等. 氣體制備及性質(zhì)驗證綜合一體化創(chuàng)新設(shè)計［J］. 化學教學， 2021， （2）： 62.

［6］魏海， 李德前. “雙注射器組合裝置”的制作與應(yīng)用——以銅與硝酸反應(yīng)的系列實驗為例［J］. 化學教學， 2020， （11）： 68～70.

［7］周密， 岑秋琳等. 用N形管和三通閥改進銅與濃硫酸反應(yīng)實驗［J］. 化學教學， 2023， （10）： 71～73.

［8］［10］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學·必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 77～78， 15.

［9］趙朝鋒. 鈉與水和鈉與乙醇反應(yīng)實驗的一體化設(shè)計［J］. 技術(shù)裝備與實驗教學， 2023， （5）： 24～25.