U型管用于化学实验的几个案例

宋广良 李德前

摘要： 为了拓展常规仪器的教学功能，丰富化学实验教学资源，将U型管巧妙用于多个化学实验中，设计了探究微粒运动、钢铁锈蚀条件、检验二氧化硫气体及二氧化碳性质等改进实验。这些实验改进有利于开阔学生的视野，培养学生的创新精神和实践能力，提高了化学实验教学的有效性。

关键词： U型管； 化学实验； 实验装置改进； 实验探究

文章编号： 10056629（2018）2006805中图分类号： G633.8文献标识码： B

U型玻璃管虽然是普通的化学仪器，但其在化学实验中的新应用不断被化学教育工作者挖掘出来[1～4]。笔者在教学中，将U型玻璃管成功地移植[5]到下面的一些化学实验中，取得了显著的教学效果。

1探究微粒运动的实验

现行各个版本的义务教育教科书《化学》中，均安排了“利用浓氨水与酚酞试液的组合探究微粒运动”的实验（见图1）。由于该实验装置是由三个烧杯组成的，造成实验装置无法固定，给操作带来诸多不便。另外，由于实验体系封闭性不够，致使实验过程中有氨气扩散到教室内。

笔者借助U型管进行氨分子扩散实验，克服了原实验的一些不足。

1.1实验用品

18mm×180mm的U型管、60mL的细口瓶、配套的单孔橡皮塞、玻璃旋塞（配直径约10mm的玻璃导管）、纱布条等；浓氨水、酚酞试液等

1.2实验装置

改进后的实验装置见图2[6]。

1.3实验操作

（1） 剪一条长约40cm、宽约2cm的棉纱布，然后用酚酞试液将整个纱布条湿润；用玻璃棒将纱布条送入18mm×180mm的U型管里，并将一团潮湿的棉花塞到U型管口。

（2） 取一个60mL的细口瓶，向瓶内注入15～20mL浓氨水。

（3） 按图2所示，迅速用带有玻璃旋塞的导管将整个实验装置连接起来。

（4） 打开玻璃旋塞，轻轻晃动细口瓶里的浓氨水（若气温较高则无需晃动），可以观察到湿润的酚酞纱布条逐渐变红，并且纱布条变红的速率AB段最快，CD段最慢。

（5） 若将细口瓶放到热水（60℃左右）里浸一会儿，整个纱布条变红的速率就会明显加快。

（6） 实验结束，关闭玻璃旋塞（酚酞纱布条的红色会逐渐褪去），整理实验用品。

1.4实验结论

（1） 浓氨水与酚酞试液没有直接接触就变为红色，说明微粒在不断运动。

（2） 对浓氨水进行微热，湿润的酚酞纱布条就能快速变红，说明温度升高时微粒运动的速率加快。

（3） AB段纱布条自下而上变红的速率，明显大于CD段纱布条从上向下变红的速率，充分说明氨气的密度比空气小。

1.5实验优点

（1） 实验较为环保，对环境几乎没有污染。

（2） 实验不仅说明了微粒的运动性，还说明氨气的密度比空气小。

（3） 实验装置固定，既方便操作，又能反复使用，特别有利于多个班级的连续授课。

（4） 实验现象与众不同，微粒的运动更加直观、生动，提高了实验的趣味性。

2探究钢铁锈蚀条件的实验

在现行各个版本的义务教育教科书《化学》中，有关钢铁锈蚀条件的试管实验都使用一根铁钉（装置见图3），这样铁与氧气、水的接触面就很小，因而钢铁锈蚀所需的時间也较长（约一周左右），致使实验教学不够连贯。另外，实验的对比分散在3～5支试管里，实验设计不够紧凑，也不方便学生观察实验现象。

笔者将U型管移植到该实验中，设计了性能优异的新实验装置。

2.1实验用品

20mm×200mm的U型管、配套的橡皮塞、铁架台、纱布等；超细钢丝棉（淘宝网有售）、食盐水、煮沸刚冷却的蒸馏水（或凉开水）、干燥剂（氯化钙）等

2.2实验装置

改进后的实验装置见图4[7]（夹持装置略）。

2.3实验操作

（1） 取一根表面锃亮的超细钢丝棉，将其剪成长短相同的四段，然后整理成球状（使其直径略大于20mm），再将其中的两团钢丝棉分别用水、食盐水湿润。

（2） 取一个20mm×200mm的U型管，将一团干燥钢丝棉塞到U型管的底部，然后向U型管内小心注入约占其容积1/5的刚冷却的凉开水（注意不要让水溅到U型管中上部的内壁上），随后将U型管固定到铁架台上。

（3） 在U型管的右支管内，于水面上方5cm左右的位置塞入一团潮湿的钢丝棉；在潮湿的钢丝棉上方10cm左右的位置，塞入一包干燥剂（包在纱布里）；然后在干燥剂上塞入一团干燥的钢丝棉。随后，在右支管的管口塞紧一个橡皮塞。

（4） 在U型管的左支管里，与潮湿的钢丝棉相对应的位置塞入一团用食盐水浸湿的钢丝棉；随后在左支管的管口塞紧一个橡皮塞（确保装置气密性良好）。

（5） 大约5～7分钟后观察，发现U型管左支管内的液面略高于右支管内的液面。再过5～7分钟后观察，发现浸在凉开水中的钢丝棉、干燥的钢丝棉表面没有明显的变化；潮湿的钢丝棉表面出现不明显的红褐色锈斑，盐水浸湿的钢丝棉表面出现明显的红褐色锈斑，并且U型管左、右支管内的液面差明显增大。此时，如果手摸盐水浸湿的钢丝棉周围的玻璃管外壁，感觉较热；手摸潮湿的钢丝棉周围的玻璃管外壁，感觉微热。

（6） 24h后继续观察，发现U型管左、右支管内的液面已基本持平，潮湿的钢丝棉、盐水浸湿的钢丝棉表面都有较多的红褐色锈斑（部分铁锈脱落坠入U型管下部的水中），浸在凉开水中的钢丝棉、干燥的钢丝棉表面仍然没有明显变化。

（7） 实验结束，拆解实验装置，整理实验用品。

2.4实验结论

（1） 浸没在凉开水中的钢丝棉、干燥的钢丝棉一直没有生锈，而潮湿的钢丝棉生锈了，说明钢铁仅接触水或氧气不会生锈，同时接触水和氧气才会锈蚀。

（2） 对比潮湿的钢丝棉、盐水浸湿的钢丝棉的生锈情况，以及U型管内液面的变化（左支管内的液面明显高于右支管内的液面），说明盐的存在会加快钢铁锈蚀的速率。

（3） 生锈的钢丝棉周围的玻璃管发热，说明钢铁锈蚀伴随能量的释放。

（4） 最终U型管的两个支管内的液面保持水平，说明左、右支管内的氧气都已基本耗尽，即等质量的铁在不同环境下进行吸氧腐蚀时所消耗氧气的量（体积）是相等的。

2.5实验优点

（1） 实验装置集成化，增强了实验的对比性，使实验由现象到结论更加顺畅。

（2） 实验试剂有所增加，实验时间因此缩短，且现象明显，提高了课堂教学效率和实验教学的连续性。

（3） 实验设计蕴含着一些定量数据，有利于培养学生的定量意识。

3检验二氧化硫气体实验

现行上海教育出版社义务教育教科书《化学》安排了“检验二氧化硫气体”的实验，有关的操作是： 划燃火柴（或点燃蘸有硫粉的细木条）后，立即将烧杯倒扣在火焰上（装置见图5），

同时

振荡下面烧杯里的高锰酸钾溶液。

这样操作起来很不方便，而且由于燒杯属于宽口仪器，使得烧杯里聚集的二氧化硫很少，从而造成实验现象不明显[8]。如果使用蘸取硫粉的细木条代替火柴[9]，虽然产生的二氧化硫较多，但这样极易造成环境污染。

另外，现行各种版本的普通高中课程标准实验教科书《化学1（必修）》中，有关二氧化硫气体的性质实验，大多是单独制取二氧化硫气体，再进行有关的性质实验，且多是试管实验，设计上不够环保，操作也较为复杂。

笔者使用U型管改进上述实验，可以很好地扬长避短。

3.1实验用品

15mm×150mm的U型管、配套的橡皮塞、铁架台、大功率（2000mw）的绿光激光笔（或凸透镜）等；大头火柴（取自宾馆的工艺火柴）、酸性高锰酸钾溶液或品红溶液等

3.2实验装置

改进后的实验装置见图6（夹持装置略）。

3.3实验操作

（1） 取一个15mm×150mm的U型管，向其底部注入适量的酸性高锰酸钾溶液（液面略超过U型管底部的上管壁），然后将U型管固定到铁架台上。

（2） 取一个与U型管口配套的橡皮塞，在橡皮塞小头的正面钻一个大约1cm深度的小孔，然后将火柴梗插入小孔内。

（3） 按图6所示，连接实验装置。

（4） 打开激光笔，旋转调焦，使焦点落在火柴头上；火柴头很快引燃，反应放出的热量及产生的气体将U型管内的液体几乎完全压入右支管里，稍后液体回落，左、右支管里没有明显的液面差。

（5） 关闭激光笔，轻轻振荡U型管，酸性高锰酸钾溶液立刻褪为肉色或无色；然后从U型管的右支管口滴入适量的氯化钡溶液，立刻产生白色沉淀。

（若是晴天，也可以使用凸透镜聚焦引燃火柴头）

（6） 若将酸性高锰酸钾溶液更换为品红溶液，在引燃火柴头后，轻轻振荡U型管，品红溶液立刻褪为无色。

（7） 实验结束，拆解装置，整理实验用品。

3.4实验结论

（1） 火柴头中含有三硫化二锑，其燃烧的产物有二氧化硫气体。

2Sb2S3+9O2点燃2Sb2O3+6SO2

（2） 二氧化硫气体能使酸性高锰酸钾溶液、品红溶液褪色，实验现象很明显，因此在初中化学里常用酸性高锰酸钾溶液或品红溶液检验二氧化硫气体。

（3） 二氧化硫气体能使品红溶液褪色，说明二氧化硫气体具有漂白性。

（4） 二氧化硫气体能使酸性高锰酸钾溶液褪色，且褪色后的溶液中滴加氯化钡溶液产生白色沉淀，说明二氧化硫被高锰酸钾氧化成SO2-4，即二氧化硫气体具有还原性。

3.5实验优点

（1） 实验有趣、现象明显，有利于激发学生学习化学的兴趣。

（2） 二氧化硫气体的产生与二氧化硫气体性质实验融为一体，体现了实验的综合性、简约性。

（3） 实验在封闭体系里进行，产生的二氧化硫气体很少，因此实验几乎没有污染。

4探究二氧化碳性质的实验

现行各种版本的义务教育教科书《化学》中编排的二氧化碳性质实验，有的操作复杂，如人教版是借助四朵石蕊纸花探究二氧化碳能与水反应生成酸[10]（实验过程见图7）的性质；有的则没有体现探究性，如沪教版是直接将汽水中的二氧化碳气体通入石蕊试液中来说明二氧化碳与水反应生成了酸。

笔者利用U型管对二氧化碳的性质实验进行了优化。

4.1实验用品

20mm×200mm的U型管、125mL的集气瓶（实际容积约150mL）、简易塑料漏斗（截取矿泉水瓶的前1/5制成）、铁架台、纱布条等；石蕊试液、二氧化碳气体等

4.2实验装置

改进后的实验装置见图8（夹持装置略）。

4.3实验操作

（1） 取一个500mL的矿泉水瓶，截取其前1/5，制成一个简易塑料漏斗。

（2） 剪一条长约45cm、宽约2cm的棉纱布，将其放在紫色石蕊试液中浸湿，然后晾干备用。

（3） 将干燥的石蕊纱布条，每隔1～2cm用水湿润，然后用玻璃棒将干湿相间的纱布条送入20mm×200mm的U型管里；再将塑料漏斗插入U型管的右支管内，随后将U型管固定在铁架台上。

（4） 如图8所示，将一瓶干燥的二氧化碳气体缓慢注入塑料漏斗里。可以观察到，U型管内干燥的石蕊纱布条不变色、潮湿的石蕊纱布条按照A→B→C→D的方向变红，且AB段湿润的纱布条变红的速率最快，CD段湿润的纱布条变红的速率最慢。

（5） 等到湿润的纱布条全部变红后，将其从U型管里取出。如果气温较高，稍微抖动纱布条[11]，红色就会消失并恢复到紫色；如果气温较低，可用电吹风对着纱布条吹热风，红色也会很快褪去并恢复到紫色。

（6） 实验结束，拆解装置，整理实验用品。

4.4实验结论

（1） 二氧化碳气体缓慢注入塑料漏斗后，漏斗下方湿润的石蕊纱布条能很快变红色，说明二氧化碳气体在空气中倾倒后能很快地大量下沉，说明二氧化碳气体的密度比空气大[12]。

（2） 干燥的石蕊纱布条不变色，湿润的石蕊纱布条变红色，该实验现象说明二氧化碳不能使石蕊变色、水也不能使石蕊变色，二氧化碳与水反应的生成物能使石蕊变红色。

（3） 潮湿的石蕊纱布条按照A→B→C→D的方向逐渐变红，形象地说明二氧化碳气体能像液体那样流动。AB段湿润的纱布条变红的速率比CD段湿润的纱布条变红的速率快，再次说明二氧化碳气体密度比空气大。

（4） 变红的纱布条暴露在空气中，通过抖动或吹热风，红色就会褪去，说明碳酸不稳定。

4.5实验优点

（1） 实验设计巧妙，充满趣味性、直观性、简约性和综合性。

（2） 实验装置、石蕊纱布条等可以反复使用，降低了实验成本。

（3） 优化的实验方案，现象明显，提高了实验教学效率，激发了学生的创新思维。

5 结束语

借助U型管改进和设计化学实验，丰富了实验装备，积累了教学资源，挖掘了常规仪器的教学功能，拓宽了化学实验创新的途径。创新的U型管实验不仅适合课堂教学，也适用于课外的研究性学习。如果引导学生参与设计U型管实验，能培养学生敢于质疑的精神，发展学生的理性思维，使他们认识到“创新永无止境”。

依托创新的U型管实验开展科学探究活动，既激发学生学习化学的兴趣及对实验探究的好奇心，也促进学生感悟科学方法、实验研究对化学学习的重要性，有利于学生逐步养成注重实证、严谨求实的科学态度，也培育了学生的探索精神、定量思维、简约习惯及环保意识等。

总之，U型管用于化学实验的几个案例，不仅充分体现了“一器多用”的创新意识，也较好地发挥了化学实验“立德树人”的育人功能[13]。

参考文献：

[1]李万春.U型管在化学实验中的作用[J].实验教学与仪器， 2002，（12）： 18～19.

[2]仲崇晶.多变U型管[J].化学教学， 2004，（12）： 20～22.

[3]周万成.U型管在中学化学实验教学中的妙用[J].实验教学与仪器， 2012，（2）： 36～37.

[4]庄山，任慧，吴频庆.惟变所出，万变不从——U型管在初中化学实验中的创新应用四则[J].化学教与学， 2017，（4）： 90～92.

[5]李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法[J].化学教学， 2013，（3）： 65～68.

[6]李德前.“氨分子扩散”实验绿色化设计[J].化学教育， 2008，（6）： 64.

[7]朱红杰，秦光献.铁钉锈蚀条件的探究实验改进[J].中国现代教育装备， 2016，（12）： 47～49.

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

[9]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， 2015： 108.

[10]李德前.二氧化碳性质实验的综合设计[J].化學教育， 2008，（10）： 49.

[11]马逸群.二氧化碳性质实验的组合设计[J].化学教学， 2011，（4）： 46～47.

[12]李德前.由烛火熄灭“异常”引发的思考——兼与何灿华老师商榷[J].基础教育课程， 2008，（7）： 34～35.

[13]马逸群，宋志贵，魏海，李德前.提高化学实验教学有效性的实施策略研究[J].教育与装备研究， 2017，（9）： 64～67.