巧用长柄V型石英玻璃管做高温化学实验

摘要：借助石英材质的长柄V型玻璃管，设计了有一定难度的“铁粉与水蒸气反应”、“木炭还原氧化铜”、“一氧化碳还原氧化铁”、“碳酸钙高温分解”等四个高温条件下的中学化学改进实验，达到了实验简约、操作简便、现象明显、成功率高、结论可靠的实验教学效果。

關键词：石英玻璃；长柄V型玻璃管；高温化学实验；实验改进

文章编号：1005–6629（2017）6–0063–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

长柄V型玻璃管是江苏省特级教师李德前发明的一种玻璃仪器[1]（其结构见图1），用它可以设计出不少的中学化学实验[2～5]。

如果选用石英玻璃管制成长柄V型玻璃管，那么用它还能做一些高温（一般指500℃以上）条件下的中学化学实验。

1 “铁粉与水蒸气反应”实验

现行人教版普通高中化学必修1教科书第50页，安排了“铁粉与水蒸气反应”的学生探究实验[6]。

1.1 原实验的不足

教科书上利用棉花作为吸水材料提供水蒸气，其吸水量不易控制（若吸水过少则水蒸气不足且棉花易炭化，吸水过多则会冲走铁粉甚至引起试管破裂）。另外，按照课本上的方法进行实验，不仅仪器较多、操作繁琐，而且实验现象也不明显。

1.2 对该实验的改进

1.2.1 实验用品

主要是石英材质的长柄V型玻璃管、酒精喷灯、铁架台、剪成斜口的饮料吸管、小试管等；还原铁粉、吸水饱满的湿粉笔、滴加几滴洗涤剂的水、稀盐酸等。

1.2.2 实验装置

改进后的实验装置见图2。

1.2.3 实验操作

（1）取一支石英材质的长柄V型玻璃管，用剪成斜口的饮料吸管将还原铁粉送入直管中部，并使铁粉平铺；在还原铁粉的左边（靠近直管口），直接放入半截潮湿的粉笔；然后用胶头滴管向弯管里注入滴有洗涤剂的水，注意使水面稍微超过弯管的上壁。

（2）如图2所示，连接实验装置（附塞）。

（3）点燃酒精喷灯，先预热长柄V型玻璃管的直管部分，然后用外焰对准还原铁粉加热（潮湿的粉笔因为靠近高温的火焰而很快就挥发出足量的水蒸气）。

（4）不到2分钟时间，就会有较多的气泡从滴有洗涤剂的水中连续冒出。用玻璃棒轻轻拨动气泡（或用洗耳球吹动气泡），单个的气泡就会缓缓上升；再用燃着的木条靠近弯管口，点燃气泡，会产生爆鸣声（并伴随黄色火焰）。上述实验现象说明，玻璃管内发生了化学反应，且该反应产生了氢气。

（5）当水中逸出的气泡很少时，停止加热，移走酒精喷灯。

（6）等玻璃管冷却后，用磁铁靠近黑色固体，能被完全吸引；倒出黑色固体于白纸上，观察不到变色；再取少许黑色固体装入小试管，滴加足量的稀盐酸，几乎没有气泡。上述实验现象说明，反应产生的黑色固体是四氧化三铁[7]。

（7）实验结束后，清洗、整理实验用品。

1.2.4 实验结论

1.3 改进实验的优点

（1）实验用品简单、易得，方便学生设计、组装；实验操作较为简便，有利于学生自主探究。

（2）实验只需要一个热源，节约资源；实验在细玻璃管里进行，有利于水蒸气与还原铁粉充分接触、快速反应。

（3）实验设计具有一定的探究性，能促进学生分析实验现象、推导实验结论，提高科学探究的能力。

2 “木炭还原氧化铜”实验

现行人教版九年级化学教科书上册第110页、沪教版（上海市教材）九年级化学教科书上册第108页，均安排了演示实验“木炭还原氧化铜”[8～9]。

2.1 原实验的不足

木炭还原氧化铜属于固相反应，两种反应物的质量比、研混程度、反应温度等多种因素都会影响实验效果，所以该实验的成功率一直很低。

2.2 对该实验的改进

2.2.1 实验用品

主要是石英材质的长柄V型玻璃管、酒精喷灯、铁架台、玻璃棒、剪成斜口的饮料吸管、研钵、小试管等；木炭、氧化铜、浸有石蕊试液的脱脂棉（或湿润的蓝色石蕊试纸）、稀硫酸等。

2.2.2 实验装置

改进后的实验装置见图3。

2.2.3 实验操作

（1）分别取木炭与氧化铜适量，并使两者的质量比控制在1：6～1：12之间；将木炭、氧化铜一起放入研钵，充分研磨，确保固体粉碎、混合均匀。

（2）用剪成斜口的饮料吸管取上述黑色粉末足量，送入长柄V型玻璃管的弯管里，自然堆积；再借助于玻璃棒，将浸有石蕊试液的脱脂棉（或湿润的蓝色石蕊试纸）放到直管的中部。

（3）如图3所示，连接实验装置（附塞）。

（4）点燃酒精喷灯，先预热长柄V型玻璃管的弯管部分，然后对准黑色粉末加热。当加热到大约1分钟时，浸有石蕊试液的脱脂棉瞬间变为红色，说明氧化反应的产物是二氧化碳；加热到大约2分钟时，黑色粉末开始呈现红热状态，此时熄灭酒精喷灯，反应仍然继续进行（因为该反应放热）。

（5）反应结束，待玻璃管冷却至室温，倒出红色固体于白纸上，观察到有少许细小的“铜珠”。再取少许粉末状的红色固体装入小试管，滴加足量的稀硫酸，若红色固体完全不溶，说明还原产物全部是铜；若红色固体部分溶解并得到蓝色溶液（对应的反应是Cu2O+H2SO4=Cu+CuSO4+H2O），说明还原产物既有铜又有氧化亚铜。

（6）实验结束后，清洗、整理实验用品。如果玻璃管内壁附着金属铜，可用热的饱和烧碱溶液浸泡2分钟再清洗（因为加热生成的金属铜渗到了玻璃表层，而烧碱对玻璃表面有弱腐蚀作用，能使渗入的铜自行脱落[10]）。

2.2.4 实验结论

2.3 改进实验的优点

（1）对药品的要求不高（普通木炭即可），而且药品的用量少。

（2）反应物自然堆积在长柄V型玻璃管的弯管部位，有利于集中受热，因此反应速率较快，实验现象明显，实验成功率高。

（3）使用固化的石蕊试液（渗入试纸或棉球中）验证二氧化碳，方法新颖，有利于激发学生的兴趣和求异思维。

（4）实验操作比较简便，因此加快了实验进程。

3 “一氧化碳还原氧化铁”实验

现行沪教版（全国教材）九年级化学教科书上册第124页、鲁教版九年级化学教科书下册第59页，均安排了演示实验“一氧化碳还原氧化铁”[11，12]。

3.1 原实验的不足

该实验为了防止一氧化碳与空气混合受热发生爆炸，必须对尾气进行收集、验纯，这就使实验者较长时间地通入一氧化碳，因而造成药品的用量大。即便如此，也时有爆炸发生，因此不少教师对该实验采取播放视频或黑板“演示”的无奈之举。

3.2 对该实验的改进

3.2.1 实验用品

主要是石英材质的长柄V型玻璃管、酒精喷灯、铁架台、100mL的注射器（保留金属针头）、小气球、玻璃棒、小试管等；氧化铁粉末、一氧化碳气体、湿润的蓝色石蕊试纸（或浸有石蕊试液的脱脂棉）、硫酸铜溶液等。

3.2.2 实验装置

改进后的实验装置见图4。

3.2.3 实验操作

（1）用水量法测出长柄V型玻璃管的容积约为20mL。

（2）借助剪成斜口的饮料吸管，将适量的氧化铁粉末送入长柄V型玻璃管的弯管里，注意使粉末覆盖于弯管底部但不触及弯管上壁；借助玻璃棒，将2～3张湿润的蓝色石蕊试纸（或浸有石蕊试液的脱脂棉）送入直管，贴在直管的中部。

（3）取一个规格为100mL的注射器（确保活塞与管壁之间润滑性良好），抽取100mL已验纯的一氧化碳气体（此时注射器活塞处于100mL刻度线）。

（4）如图4所示，连接实验装置。

（5）缓慢推动注射器活塞，向长柄V型玻璃管里通入一氧化碳，当注射器活塞处于80mL刻度线时，说明已向玻璃管内推入20mL一氧化碳，进而说明玻璃管内的空气已基本排尽。

（6）点燃酒精喷灯，预热长柄V型玻璃管的弯管部分，然后对准氧化铁粉末加热，同时继续向玻璃管内缓慢、匀速地推入一氧化碳；当加热到约1.5分钟时，湿润的蓝色石蕊试纸明显变红；加热到约2分钟时，氧化铁粉末开始变黑；加热到3～4分钟时，红棕色的粉末全部变为黑色，小气球也明显变大了。

（7）熄灭酒精喷灯，停止加热。

（8）等玻璃管冷却到室温后，取下小气球，点燃尾气；然后用磁铁靠近黑色粉末，能被完全吸引；再取少许黑色粉末装入小试管，倒入足量的硫酸铜溶液，振荡，充分反应后，如果黑色粉末全部变红，说明还原产物全部是铁；如果黑色粉末部分变红，说明还原产物既有铁也有四氧化三铁[13]。

（9）实验结束后，清洗、整理实验用品。

3.3 实验结论

3.4 改进实验的优点

（1）引入定量设计，能及时知道玻璃管内的空气是否排尽，因此提高了实验的安全性，也节省了药品（一氧化碳的用量不到100mL）。

（2）氧化铁粉末处于弯管位置，既能充分受熱，又能充分接触一氧化碳，因此有利于还原反应的快速进行。

（3）实验原理简单易懂，设计富有探究性，因此也适合安排为学生实验。

4 “碳酸钙高温分解”实验

现行沪教版九年级化学教科书下册第56页、仁爱版九年级化学教科书上册第102页及沪教版（上海市教材）九年级化学教科书上册第113页，均安排了“煅烧石灰石”和“生石灰溶于水”等演示实验[14～16]。

4.1 原实验的不足

教科书上的设计方案，均是在空气中煅烧含有碳酸钙的物质（如石灰石、大理石、贝壳或鸡蛋壳等），这样设计虽然操作简便，但是分解出的气体产物却无法观察和验证。另外，由“碳酸钙→氧化钙→氢氧化钙”一系列变化所伴随的现象不够明显。

4.2 对该实验的改进

4.2.1 实验用品

主要是石英材质的长柄V型玻璃管、酒精喷灯、铁架台、镊子、药匙等；片状、颗粒状、粉末状的几种含有碳酸钙的物质（如大理石、石灰石、水垢、石灰浆墙皮等）、红色的石灰水（滴有酚酞试液）等。

4.2.2 实验装置

改进后的实验装置见图5。

4.2.3 实验操作

（1）分别取3～4块片状（拇指盖大小）的大理石或石灰石、6～7块颗粒状（黄豆粒大小）的石灰浆墙皮、适量粉末状的水垢，借助药匙的小端、镊子等工具，将它们放入长柄V型玻璃管的直管中部但不触及直管上壁，注意使颗粒状、粉末状物质填充在片状物质的空隙里，并将它们尽量压实，以减少空隙（这样有利于相互之间传递热量）；然后向弯管里注入滴有酚酞试液的石灰水，注意使液面刚好接触弯管的上壁。

需要注意的是，这里不要使用贝壳、鸡蛋壳，因其含有机质，会干扰后续的实验。

（2）按照图5，连接实验装置（附塞）。

（4）停止加热（弯管里的液体有被倒吸的趋势，但绝不会进入直管部分），等到玻璃管冷却至室温后，拔掉橡皮塞，用玻璃棒将少许灰白色固体推入弯管里的液体中；稍后，用手触摸弯管处，能感觉到发热，并且液体又逐渐变为红色。

（5）取出玻璃管内剩余的灰白色固体，不难发现，它们容易被捏碎（已变得酥脆）。

（6）实验结束后，清洗、整理实验用品。

4.3 实验结论

4.4 改进实验的优点

（1）本实验是在相对封闭的体系里进行的，并使用滴有酚酞的石灰水，使得碳酸钙分解的两种产物都在玻璃管内得到了检验，因此拓展了实验内容，丰富了实验现象，增强了实验的可信度。

（2）滴有酚酞的石灰水具有多个作用（既检验二氧化碳，又验证了氢氧化钙，还为氧化钙的溶解提供水），这一素材有利于创设问题情境，增强化学实验的科学性与思维严密性。

（3）本实验将碳酸钙分解、氧化钙溶于水、氢氧化钙吸收二氧化碳等三个反应融为一体，有利于学生构建“钙三角”的知识体系，树立化学物质的“变化观”。

（4）選用几种不同形态的含有碳酸钙的物质进行实验，有利于学生认识碳酸钙在自然界的分布，同时体验化学物质的多样性、物质组成的相似性和化学性质的规律性。

5 结束语

长柄V型玻璃管具有直管和弯管两部分，因此可以代替多种常规玻璃仪器进行化学实验，而且减少了仪器的连接，其微型结构又节省了药品。对于石英材质的长柄V型玻璃管，因其质地坚硬、耐高温，还能用来做一些高温条件下的化学实验。该仪器取材不难，既可以自己加工，也可以网购。

总之，在化学实验中，长柄V型玻璃管的使用范围广、实用性强，值得推广和借鉴。利用长柄V型玻璃管进行化学实验，简便易行，节俭环保，现象直观，有利于激发学生学习化学的兴趣，增强学生的实验设计能力。

参考文献：

[1]李德前，杜玉芬.巧用长柄V型玻璃管改进和设计化学实验[J].化学教学，2013，（8）：41～43.

[2]陈立铭，李德前.利用长柄V型玻璃管比较碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性[J].化学教育，2014，（21）：56～57.

[3]雍世伟，李德前.长柄V型玻璃管在化学实验中的新应用[J].化学教学，2016，（11）：70～73.

[4]胡海铭.巧用长柄V型玻璃管做“木炭还原氧化铜”实验[J].化学教育，2014，（23）：52～53.

[5]李德前，魏海.有色物质在水中扩散实验的新设计[J].化学教学，2016，（3）：60～64.

[6]宋心琦，王晶，李文鼎.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：50.

[7]马逸群.铁还原氧化铁的产物是氧化亚铁还是四氧化三铁[J].化学教育，2011，（11）：72～73.

[8]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2015：110～111.

[9][16]姚子鹏，陈基福，洪东福.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级第一学期）[M].上海：上海教育出版社，2015：108，113.

[10]梁会敏.巧除试管壁上的铜迹[J].实验教学与仪器，2002，（1）：26.

[11]中学化学国家课程标准研制组.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，2014：124.

[12]毕华林，卢巍.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级下册）[M].济南：山东教育出版社，2012：59.

[13]刘怀乐.一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考[J].化学教学，2007，（11）：13～16.

[14]中学化学国家课程标准研制组.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，2014：56～57.

[15]北京市仁爱教育研究所.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：北京教育出版社，2012：102～103.