“封管变色实验”在中学化学教学中的应用

吴冰玉 丁伟

摘要：封管实验是一种将化学物质密封于封闭容器内的实验，具有绿色化、省时、便利等多种优点。利用物质的溶解性、酸碱性等性质，设计了几个有趣的封管变色实验，介绍了其原理、操作方法等，并介绍了封管实验应用于化学教学的案例。

关键词：封管实验;变色实验;化学教学

文章编号：1008-0546（2019）06-0095-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.028

一、研究背景

封管又名安瓿瓶，是一种密闭的容器，常常利用酒精喷灯将软质试管的管口进行熔融封闭制得，也可在市场上购买。把化学物质密封于试管中进行的实验即为封管实验。由于封管实验的封闭体系特点，因此，利用封管实验可以在中学实验教学中进行一些有毒气体的演示实验，例如二氧化硫的漂白实验。此外，封管实验中的药品由于无法逸散，往往可以长期存放，并且可反复利用，且重复实验时无需准备。

化学是一门基于实验的自然科学，在化学教学的过程中，往往要先进行实验的宏观现象的演示，学生才能根据宏观现象对所探究的相关物质的性质与应用等知识有更加深入的理解与辨析。化学实验中缤纷的色彩变化可以给学生带来视觉享受，引发他们的遐想与思考。通过设计有趣的变色实验，可以启迪学生，提升学生的化学学习兴趣。封管可以重复多次利用，大大节约试剂与药品，且有效防止了有毒气体的外泄。通过绿色化的封管实验进行教学，更能培养学生的绿色意识。

二、几种变色封管实验

本研究利用封管的封闭、绿色化等特点，利用物质的溶解性差异、酸碱性、晶体结构等性质，设计了几则封管变色实验。

1.“结晶树”的消失

（1）实验原理

硝酸钾固体的溶解度随温度变化较大，在低温时溶解度较小，在温度达到40度以上时大幅增加。硫酸铜固体的溶解度随着温度的变化，并不像硝酸钾固体一样呈现大幅度的提升，利用硝酸钾与硫酸铜在高温时溶解度的不同，就可以制作“晶体树”，将该晶体树置于封管之中，可以重复利用。加热封管，溶液温度升高，硝酸钾的溶解度升高，“晶体树”会逐渐消失，将封管冷却，硝酸钾的溶解度逐渐降低，便会形成过饱和溶液，又会重新生长出“晶体树”。

（2）实验仪器与试剂

安瓿瓶、药匙、酒精灯、玻璃棒、CuSO4·5H2O晶体、KNO3晶体、自来水等。

（3）实验步骤

称取0.3g CuSO4·5H2O晶体和1.5g KNO3白色粉末，放入安瓿瓶中，再加入2.5mL自来水，加热搅拌溶解，制得60℃下的饱和溶液。点燃煤气灯，加热安瓿瓶瓶口，用镊子小心熔融封口，即制得“结晶树”封管。静置，待封管冷却。点燃酒精灯，将封管置于酒精灯上加热，观察现象。再迅速将封管置于一盛有冷水的烧杯中，静置片刻，观察现象。

（4）实验现象

该“结晶树”封管置于冰水中冷却后，可以看到有针尖状的白色结晶析出，如图1所示。用酒精灯加热片刻后（加热溶液至60%左右即可），结晶减少，最终消失，如图2所示。迅速置于装有冷水的烧杯中，一段时间后，可再次出现白色针状结晶。

（3）实验步骤

取一安瓿瓶，在瓶内加入0.4g NaHCO3晶体，再加入2.0mL蒸馏水，振荡摇晃，制得饱和NaHCO3溶液（为了实验效果可再加入少量的NaHCO3晶体）。滴入2-3滴酚酞溶液，摇晃安瓿瓶，瓶内的NaHCO3溶液变为浅粉色。点燃煤气灯，利用煤气灯外焰将安瓿瓶封口，制得变色封管。点燃酒精灯，将封管置于酒精灯上加热片刻，观察实验现象;将加热后的封管冷却后，观察现象，并重复几次该步骤。

（4）实验现象

封管原本由于弱碱性，滴入酚酞后呈现粉红色，如图3。将封管加热，可以观察到管内的浅粉色溶液颜色逐渐加深，转变为紫红色，如图4。待冷却后，颜色又再次变浅。重复加热后，封管内的溶液颜色再次加深，冷却后復原。该封管经实验证明可以反复利用，并且可以长久保存。

（2）实验仪器与试剂

软质试管、药匙、酒精灯、玻璃棒、滴管、100mL量筒、5%硝酸汞溶液、10%碘化钾溶液、2%硝酸银溶液、5%硝酸铜溶液、透明水溶性胶水、蒸馏水等。

（3）实验步骤

取20mL 5%硝酸汞溶液于烧杯中，用滴管向硝酸汞溶液中加入10%碘化钾溶液，开始有橙色的碘化汞沉淀生成，继续滴加碘化钾至沉淀消失。此时溶液中含有大量的四碘合汞酸根离子。将该溶液一分为二，一份滴加2%硝酸银溶液至不再产生黄色沉淀为止;另一份滴加5%硝酸铜溶液至不再产生红色沉淀为止。将上述两种沉淀静止，倒掉上层清液，注入蒸馏水倾析法洗涤2-3次。取适量制得的Ag2Hgh与CuHgL晶体沉淀分别置于两个软质试管中，利用煤气灯将两个软质试管封口，即制得示温涂料的变色封管。利用酒精灯分别将两封管加热片刻，观察实验现象，待冷却后，再次观察实验现象。

（4）实验现象

将黄色Ag2HgI4封管（如图5）加热片刻，可观察到黄色的沉淀变为橙色（如图6），冷却后，橙色又复原为黄色。将另一装有CuHgI4沉淀的橙色封管（如图7）加热，橙色的沉淀逐渐转变为黑色（如图8），将该封管冷却，黑色沉淀又还原为红色沉淀。

三、封管变色实验在教学实践中的应用

1.“结晶树”封管应用于溶解度教学

“结晶树”封管实验可以作为一个良好的课堂导入环节，通过让学生观察结晶的生长的形象化教学，继而引出溶解度、重结晶等概念，降低学生对抽象知识的理解的难度。

[导入]取制备好的“结晶树”封管，让学生观察“结晶树”的颜色与形状。思考为什么会出现“结晶树”？

[实验演示]将封管置于酒精灯上加热，请学生观察实验现象并总结实验现象（结晶树消失）。

[讨论1]思考并小组交流讨论出现上述现象的原因。

[实验演示]再次加热封管，待溶液中无较多颗粒时，迅速将封管置于冷水中，请学生观察试管中的变化（结晶的生长）。

[讨论2]让学生思考并交流讨论出现上述现象的原因。

[讲述]与固体溶解度相关的因素。

在“金属树”的消失实验中，通过呈现一颗蓝色背景下的“白色金属树”的视觉效果，可以激发学生对溶解度曲线的学习兴趣，改变以往的死记硬背的现象。

2.“粉变紫红封管”应用于钠的化合物性质教学

一般，在NaHCO3与Na2CO3两者的性质异同对比的教学中，学生的概念理解往往仅止步于两物质之间的转化。而饱和NaHCO3溶液一酚酞的封管实验中，涉及到了溶解平衡、电离平衡、水解平衡、NaHCO3与Na2CO3的性质等多个知识点的综合应用。

[回顾]带领学生简单回顾已经学习过的碳酸氢钠、碳酸钠的物理性质（酸碱性、稳定性、溶解性等）。

[实验演示]取已制取好的碳酸氢钠一酚酞封管，让学生观察现象。将试管置于酒精灯上加热片刻，观察实验现象。冷却片刻后，再次让学生观察现象。

[讨论]学生以小组的形式讨论总结上述的三个现象，并选学生代表进行发言。

[提出问题]为什么封管加热后会由粉色变为紫红色？为什么冷却后紫红色会变浅？

[讨论]学生以小组形式交流讨论，探究封管变色复原的原因。

[讲述]教师讲述该封管变色的原理，使学生对本部分知识融会贯通。

通过一个有趣的变色、复原现象引起学生兴趣，促使学生进一步探究其原理，带给学生趣味性和视觉享受的同时，也能帮助他们更加全面系統地掌握化学学科中的重要知识点，做到融会贯通。

3.示温涂料封管应用于晶体教学

Ag2HgI4与CuHgI4封管实验可以作为晶体结构的教学中的一个导入环节，从宏观世界的形象化的颜色转化，让学生理解物质的多样性与微观结构的关系以及晶体的结构特点。

[导入]利用两个示温涂料封管实验进行导入。

[实验1]取一Ag2HgI4晶体封管，置于酒精灯上加热片刻，让学生观察实验现象。迅速将封管置于冷水中，观察颜色变化。

[提出问题]为什么Ag2HgI4晶体封管加热后会从黄色变为橙色？为什么冷却后，颜色又复原为黄色？

[交流讨论]学生针对问题分组进行讨论。

[讲解]晶体具有规则的几何外形，其内部结构呈现规则的重复排列。物质的结构决定性质，Ag2HgI4在常温下为四方晶体，呈现为黄色，升温到39℃后，转变为立方晶体，该结构的Ag2HgI4为橙色。

利用一系列变色封管实验，不仅在课堂上体现绿色化学的理念，其趣味性还可以激发学生的化学学习兴趣。示温涂料变色封管实验，可以作为晶体结构内容的教学的导入环节。此外，还可丰富学生与生活相关的化学知识，了解示温涂料的应用与原理。

四、总结和展望

本研究所设计的几种变色封管实验趣味性较强，可以在课堂上进行演示，激发学生的学习兴趣，并且较为绿色环保，所制得的封管可以反复多次利用，并且每次使用前可节省较多进行实验准备的时间。但本文中所探讨的几种变色封管实验也存在一些限制性，在使用过程中不宜使温度过高，否则会造成试管的炸裂。