使用气唧改进和设计化学实验的尝试

摘"要："使用气唧设计了“气密性检测专用仪”，改进了“氯化氢和氨气混合生成白烟”实验，优化了“乙醇催化氧化”实验。改进后的实验装置规整、方案简要、现象直观、节省资源，有助于培育学生的创新思维和实践能力，有益于提高中学化学实验教学的质量。关键词："气唧；实验创新；气密性检测专用仪；生成白烟实验；乙醇催化氧化实验基础教育课程改革以来，不少化学教师将气球、杠杆、气唧（又叫打气球）、注射器、塑料瓶、电蚊拍、单向阀、遥控点火器、电脑电源适配器等物品移植［1］到化学实验中，增强了实验教学的有效性，提高了化学教学的质量。我们发现，借助气唧还能开发出一些新颖有趣的实验资源，如制作“气密性检测专用仪”、改进“氯化氢和氨气混合生成白烟”实验、优化“乙醇催化氧化”实验等。1"借助气唧制作“气密性检测专用仪”封闭体系内有气体参与的化学反应以及实验室制取气体时，装置的气密性是否良好，直接关系到实验的安全性、药品的消耗量与结果的可信度。目前，中学化学教科书介绍的气密性检查方法主要是“手捂加热法”和“注水增压法”，其原理均是通过增大实验体系内的气压、产生可观察的对应现象（如冒气泡、形成稳定的水柱等），从而得出装置是否漏气的结论［2］。但是化学实验装置组成多样、造型各异，仅靠书本上的两种方法检查气密性，存在较大的局限性。基于“增大装置内气压”的检查思路，我们开发出“鼓气增压法”，并借助气唧研制出“气密性检测专用仪”，用其检查装置的气密性不仅操作单一、结论可靠，而且适用范围广。1.1"实验用品气唧，Y型管，小气球（加厚防爆型），尼龙线（或尼龙扎带），生料带，橡胶导管等1.2"实验装置新研制的“气密性检测专用仪”如图1所示，它由三部分组成：一是向实验体系内鼓气的气唧，二是显示实验体系内气压有没有增大的小气球，三是连接气唧、小气球和待检装置的Y型管。1.3"制作步骤（1）准备一个气唧、一个小气球、一个Y型管，备用。（2）在Y型管对称的两个短支管末端，缠上几圈生料带，再分别套接小气球、气唧，然后用尼龙线（或尼龙扎带）将连接处扎紧，确保接口不漏气。至此，“气密性检测专用仪”即完成。1.4"实践应用1.4.1"有一个开口的装置气密性检查图2所示是“测定膨松剂中碳酸氢铵含量”的实验装置，虽然该装置较为复杂，但是只有一个开口。装入药品（试管内装入膨松剂、球形干燥管内装入碱石灰，洗气瓶中装入浓硫酸）之前，在装置末端的导管口接上“气密性检测专用仪”，然后挤压气唧十次左右，如果小气球不断增大，当停止鼓气后小气球大小保持不变，则说明装置不漏气。1.4.2"有两个开口的装置气密性检查图3所示是含有长颈漏斗的固液常温型气体发生装置，装入药品之前，首先设法封闭漏斗中的气流通道（可以将套有橡胶管的细木条插入长颈漏斗的颈部），然后在装置末端的导管口连接“气密性检测专用仪”，通过鼓气、观察小气球变化，即可对装置是否漏气作出判断。1.4.3"有多个开口的装置气密性检查图4所示是“探究SO2和Cl2按不同比例混合后的漂白性”实验装置，含有三个开口，即SO2入口、Cl2入口和装置末端的导管口。装入药品之前，先借助橡胶帽封闭两个气体入口，然后在装置末端的导管口接上“气密性检测专用仪”，通过鼓气操作，即可检出装置是否漏气。1.5"几点说明（1）检查装置气密性时如果发现漏气，要及时查找原因、更换仪器，再次检查气密性，直至装置不漏气为止。（2）“气密性检测专用仪”组成简单，检测原理通俗易懂，可以鼓励学生动手制作，并应用于生产生活和化学实验中。（3）检查装置气密性是学生必须掌握的一项基本技能，实验教学中要引导学生认识气密性检查的重要性，了解气密性检查的基本原理，并积极尝试气密性检查的多元方法，以充分发挥化学实验的育人功能。2"借助气唧改进“氯化氢和氨气混合生成白烟”实验2024版上教社九年级化学教科书中编排了“氯化氢和氨气混合生成白烟”实验，但两种气体的用量较大，气体的制备也较为繁琐［3］。我们借助气唧改进实验装置，一次装药（浓盐酸、浓氨水）可以连续进行多次实验，节省了药品、简化了操作，提高了实验的可视性和趣味性。2.1"实验用品125mL的广口瓶及与其配套的双孔橡皮塞，20mm×120mm的玻璃管及与其配套的双孔橡皮塞，Y型管，橡胶导管，玻璃导管，止水夹，脱脂棉，铁架台等；浓盐酸，浓氨水等2.2"实验装置新研制的实验装置如图5所示（夹持仪器略），它由两部分组成：一是广口瓶和气唧构成的反应物气化装置，二是玻璃管承载的反应发生及尾气吸收装置。2.3"实验步骤（1）准备一个气唧，在其出气口连接一根Y型管。（2）准备一个20mm×120mm的玻璃管，在其一端塞上带有两根短导管的双孔橡皮塞，在其另一端塞上一团湿润的脱脂棉。（3）找两个双孔橡皮塞（与125mL广口瓶配套的），在一个孔内插入一根短导管，在另一个孔内插入一根直角长导管备用；然后向两个广口瓶分别注入约15mL的浓氨水、浓盐酸，立即在瓶口塞上上述带有导管的双孔橡皮塞。（4）如图5所示，借助橡胶导管连好整套实验装置（确保装置不漏气），并将玻璃管固定在铁架台上。（5）松开两个止水夹，用力挤压气唧，将两个广口瓶液面上的气体同时压入玻璃管中，每挤压气唧一次，玻璃管内就立即喷出浓厚的白烟，并在玻璃管内扩散、翻滚；再挤压气唧一次，玻璃管内再次喷出缕缕白烟；如此反复，鼓气生烟，非常有趣。（6）实验完毕，夹上两个止水夹，整理实验药品。2.4"现象分析（1）挤压气唧后，玻璃管内出现大量的白烟，说明浓盐酸的液面上空气中存在大量的氯化氢气体，浓氨水的液面上空气中存在大量的氨气，说明两个广口瓶内均有大量分子从液体表面逃逸到空气中，即微观粒子（分子）是在不断地运动着的［4］。（2）氨气与氯化氢气体被气唧挤压到玻璃管内生成白烟，说明氨气与氯化氢气体发生反应生成了极其细小的白色颗粒状物质，有关反应的化学方程式是NH3+HClNH4Cl。2.5"几点说明（1）玻璃管内出现白烟不能说明微粒在不断运动，因为氨气、氯化氢气体不是自由扩散到玻璃管内的，而是被气唧挤压到玻璃管内的。（2）广口瓶内长导管的末端离液面3cm左右较为合适，这样既保证有足量的氨气、氯化氢气体被压入玻璃管内，又可避免长导管离液面过近，造成鼓气时药液飞溅。（3）本实验中的玻璃管是生成白烟的反应容器，为了现象明显，玻璃管不能太短，以11～13cm长度为宜，也不能太细。（4）每次实验完毕，无需拆开装置，也不需要清洗仪器，只需夹上止水夹即可。下次使用时更换新的脱脂棉，再次打开止水夹，即可“挤压气唧生白烟”。3"借助气唧优化“乙醇催化氧化”实验“乙醇催化氧化”实验是中学化学教科书中经典的有机实验，但是课本上依据嗅觉判断反应生成乙醛，可信度有限；在敞口的试管中进行实验，致使实验过程不断散发有害气体污染空气［5］。在同行们改进实验的启发下［6］，我们借助气唧优化实验方案，不仅避免了有害气体的泄漏，而且实验现象明显，尤其适合在多个班级连续演示。"3.1"实验用品150mL的锥形瓶，18mm×180mm的玻璃管，酒精灯，气唧，18mm×180mm的试管，橡皮塞，橡胶导管，玻璃导管，铁架台等；无水乙醇，细铜丝，希夫试剂（或新制的氢氧化铜悬浊液）等3.2"实验装置新研制的实验装置如图6所示（夹持仪器略），它由“反应物气化装置”“反应发生装置”和“产物检验与尾气吸收装置”三部分组成。3.3"实验步骤（1）截取一段铜导线，抽取其中的细铜丝，将其缠绕成圆柱状，再把细铜丝塞入18mm×180mm的玻璃管中部，然后在玻璃管两端塞上带有短导管的单孔橡皮塞。（2）准备一支18mm×180mm的试管，向其中注入约15mL的希夫试剂。（3）找一个双孔橡皮塞（与125mL锥形瓶配套），在一个孔中插入一根直角短导管，在另一个孔中插入一根直角长导管，然后向锥形瓶中注入约20mL的无水乙醇。（4）如图6所示，快速连好整套实验装置（确保装置气密性良好），并将玻璃管固定在铁架台上。（5）点燃酒精灯，预热玻璃管，再用其外焰对准细铜丝加热；待细铜丝逐渐变黑，匀速挤压气唧，将乙醇蒸气与空气的混合气鼓入玻璃管内；连续鼓气7～8次，观察到试管内的溶液中冒气泡，细铜丝很快由黑色变为红色，同时试管内希夫试剂逐渐变为紫红色。（6）停止加热，待装置冷却至室温，整理实验用品。3.4"现象分析（1）细铜丝受热变成黑色，是实验体系内的氧气与金属铜发生了氧化反应，有关反应的化学方程式是2Cu+O2△2CuO。（2）向玻璃管内通入乙醇蒸气后，细铜丝变回红色，这是乙醇蒸气与氧化铜发生了还原反应；试管中的希夫试剂变为紫红色，说明反应生成了醛类，有关反应的化学方程式是CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O，总反应可以写成2CH3CH2OH+O2Cu△2CH3CHO+2H2O。（3）以上分析可知，本实验中金属铜既传递氧元素，又是反应的催化剂。3.5"几点说明（1）锥形瓶内长导管的末端离乙醇液面约3cm比较合适，这样既可以确保有充足的乙醇蒸气被输送到玻璃管内，又可以避免长导管离液面过近，造成气唧鼓气时药液飞溅。（2）本实验中的希夫试剂不仅是检验乙醛的试剂，也是吸收实验尾气的试剂，必须足量，因此盛有希夫试剂的试管其容积不要过小，以18mm×180mm规格为宜。（3）细铜丝的直径在0.3mm左右较为合适，圆柱状铜丝团要疏密适度并塞满玻璃管中部，这样有利于反应物充分