许大雨 魏 海
U形管因其外形酷似英文字母U而得名,其实质是将一根玻璃管弯曲成U形。U形管既是结构对称的弯曲玻璃管,又是无缝相连的两支弯底试管,因其特殊的结构,所以在化学实验中有很多巧妙地应用。
教科书上介绍的实验方法,是在蜡烛火焰上罩一个干冷的烧杯,观察烧杯内壁是否有水珠出现(如图1所示);然后再把烧杯快速翻转过来,倒入适量的澄清石灰水,观察石灰水是否变浑浊。
图1 教科书上检验蜡烛燃烧产物的实验装置
由于烧杯口大,因而难以聚集较多的燃烧产物,实验现象不够明显;再者,由于烧杯壁薄,易吸热发烫,造成水蒸气不易在杯壁上冷凝。
(1)实验装置
改进后的实验装置如图2所示(夹持装置略)。
图2 利用U形管检验蜡烛燃烧的产物
(2)实验操作
①取一个小烧杯,内盛适量的澄清石灰水;再取一个20 mm×200 mm的U形管。
②取一支长短合适的细蜡烛,点燃,然后如图2所示连好实验装置。
③当蜡烛燃烧大约1 min时,可以观察到澄清的石灰水变浑浊,U形管内壁附有大量的水雾。
④拿起U形管,然后吹灭蜡烛;最后整理实验仪器。
(3)实验结论
①澄清的石灰水变浑浊,说明蜡烛燃烧的产物有二氧化碳;U形管内壁附有大量的水雾,说明蜡烛燃烧的产物还有水。
②根据蜡烛燃烧的产物,还可以知道蜡烛中含有碳、氢元素。
(4)实验优点
①本实验中,热气流大量上升,澄清石灰水中会有气泡冒出,且很快变浑浊。由于U形管较长,因而水蒸气容易在远离火焰的管壁上液化。
②实验现象明显,可以反复演示,也可以用作学生的实验分组。
教科书上介绍的实验方案,其操作是完全暴露在空气中的(把两根分别蘸有浓盐酸、浓氨水的玻璃棒相互靠近,两根玻璃棒之间会生成一股白烟,如图3所示)。
图3 教科书上“空中生烟”的实验设计
这样设计虽然实验现象明显,但对室内环境造成了一定的污染,违背了绿色化学的理念。
(1)实验装置
改进后的实验装置如图4所示(夹持装置略)。
图4 利用U形管演示“空中生烟”实验
(2)实验操作
①取一个25 mm×250 mm的U形管。
②在U形管的两个支管中部,分别塞入一团大小合适的棉花;然后在靠近管口处,分别粘贴一张湿润的蓝色石蕊试纸、一张湿润的红色石蕊试纸。
③往两个支管内的棉花团上分别滴加少量的浓盐酸、浓氨水,然后立即在两个管口上分别塞紧橡皮塞。
④很快观察到,湿润的蓝色石蕊试纸变成了红色,湿润的红色石蕊试纸变成蓝色;并且U形管的中下部(靠近浓盐酸的一侧)“浓烟滚滚”,进而整个U形管中下部都充满了白烟。
⑤等到白烟完全消失,拆开装置,整理实验仪器。
(3)实验结论
①湿润的蓝色石蕊试纸没有直接接触浓盐酸却变成了红色,湿润的红色石蕊试纸没有直接接触浓氨水却变成了蓝色,说明氯化氢分子、氨分子都在不停地运动。
②在U形管的中下部靠近浓盐酸的一侧,最先出现白烟,说明氨分子运动的速率明显快于氯化氢分子。
③氯化氢与氨气化合产生氯化铵固体:NH4+HCl=NH4Cl。
(4)实验优点
①本实验在封闭的体系内进行,对环境没有污染,有利于学生树立保护环境的意识。
②实验现象丰富、明显,增强了化学实验的趣味性。
③本实验不仅说明微粒不断运动,还说明不同的分子在相同条件下的运动速率有所不同,从而拓展学生的视野。
教科书上说明活性炭具有吸附性的实验(如图5所示),需要的活性炭较多,因此实验不够简约。
图5 教科书上活性炭净水器示意图
(1)实验装置
改进后的实验装置如图6所示(夹持装置略)。
图6 借助U形管做活性炭的吸附实验
(2)实验操作
①取一个25 mm×250 mm的U形管,在其中下部装入足量的活性炭(约占U形管容积的一半),然后在两个支管的活性炭表面各塞上一团棉花,并用玻璃棒将棉花分别压实一些。
②向U形管的左支管中缓慢的注入适量的红色水(可在自来水中滴加几滴红墨水即可),静置。红色水会慢慢向下渗透,并进入U形管的底部,在U形管的右支管里缓慢上升,进而在右支管的活性炭表面会持续冒出无色的水。
③当左右两个支管里的水面离管口有大约2 cm的距离时,停止加水。最终,两个支管内的水面持平。
(3)实验结论
当红色的水穿过活性炭层以后,变为无色的水,充分说明活性炭可以吸附色素。
(4)实验优点
①实验操作方便,实验的对比性强。
②有利于培养学生的科学方法,如对比法、移植法、替换法等。
U形管虽然是常规仪器,但只要我们勤于尝试、善于发现、勇于思考,就能依托U形管开发出更多的化学实验,这不仅丰富了中学实验装备,也为化学教学开展素质教育提供了更大的平台,从而提高实验教学的有效性,发展学生在化学课中的创造性。
(致谢:本文在写作过程中,得到江苏省特级教师李德前的帮助,谨表谢意)。
参考文献
[1]王海生.U型管在初中化学实验中的妙用[J].成功:教育版,2013(5):41-42.
[2]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.
[3]郭建虹.在初中化学教学中精用对比教学法:例谈“水的净化”教学设计[J].中学化学教学参考,2014(5):17-19.