多变U型管在初中化学实验教学中的创新应用

摘要：U型管是化学实验室中的一种常用仪器，U型管的结构经过设计和改进后，既能节约实验时间和药品，又现象鲜明.通过改进U型管装置验证二氧化锰对氯酸钾起催化作用、类似启普发生器的简易装置改进、燃烧条件的对比实验等多个实验教学，取得了较好的实验效果.

关键词：U型管;创新实验;对比

作者简介：林家平（1971-），男，江苏南京人，本科，中学高级教师，研究方向：化学学科教学研究和区域教科研管理工作. 化学是一门以实验为基础的科学，同时又是研究物质变化的科学，化学学科的形成、发展和应用的研究过程，都是以实验为基础的，化学实验对于初中化学课程目标的落实有着重要的作用.在初中化学的实验教学中，气体的制取、验证气体的性质实验以及一些对比性的实验占有很大的比例.而在教材中对于上述的许多实验，有的实验在仪器的装配上、具体实验的操作过程都设计的比较繁琐.如何使得这些实验操作既简便又安全？实验产生的现象既有利于观察，又能体现出仪器多用的特点？U型管是化学实验室中的一种常用仪器， U型管的结构经过设计和改进后，很适合完成上述相关实验，既能节约实验时间和药品，又现象鲜明.笔者结合多年的教学实践，将U型管或改进后的U型管引入初中化学常见的实验教学中，取得了较好的实验效果.现举例如下：

【实验一】教材中二氧化锰对氯酸钾起催化作用产生氧气的演示对比探索研究实验

教材中对该实验的组织教学时，采用三支试管进行3次相对独立的实验，进行对比验证，最后才得出实验结论：二氧化锰在化学反应前后的质量和化学性质没有发生改变，是该反应的催化剂.如果使用变形后的U型管，就可以在同一仪器中，同时将3个步骤鲜明的展现出来，即节约时间，又增强了该实验的直观效果（如图1）.

1. 药品的加入.在U型管的底部加入实验所需的药品氯酸钾，再将二氧化锰加入到变形后的U型管一侧.

2. 实验装置的组装.在未变形的U型管一侧塞紧橡皮塞，并用试管夹或铁架台的铁夹夹持此侧.

3.进行相关对比实验.

（1）先用酒精灯单独加热二氧化锰，并用带火星的木条检验，木条不能复燃.

（2）加热U型管底部的氯酸钾，直至融化后，缓慢放出氧气，带火星木条不易复燃（复燃比较困难，经过反复实验，一段时间后，木条复燃）.

（3）撤去U型管底部的酒精灯，停止加热，降温到氯酸钾快要凝固时快速将二氧化锰与氯酸钾混合，用带火星的木条靠近进行实验，带火星木条迅速复燃.

利用了一个变形的U型管，在同一仪器中能够很直观地把二氧化锰的催化作用很好地进行了验证，同时也有利于学生对催化剂这一概念的理解.

【实验二】启普发生器原理的装置改进

如图2所示，在U型管一端中部放有一个带孔的塑料垫片，上部接一个带活塞的导管（或者连一个带铁夹的橡皮管）就可以随时控制反应的发生和停止，把此装置变成一个简易的启普发生器，可用于实验室制二氧化碳、氢气等气体.

【实验三】作对比实验的反应器

如图3所示，将具支U型管从底部用液体（如：琼脂）封住或隔板隔开，就可以形成两个相同的仪器.利用此装置进行对比性实验探究，一方面易于控制，便于操作和观察，形成对比，另一方面由此得出的结论也比较可靠，易于被学生接受.例如：用此装置来做碳酸钠、碳酸氢钠分别与盐酸反应的对比实验探究.（1）分别用粉末状固体碳酸钠和碳酸氢钠（颗粒大小相同）与等浓度等体积的盐酸溶液反应，来探究比较二者反应速率的大小（同时加深学生对对比实验需要控制相关变量进行强化）.（2）用等体积等浓度的碳酸钠和碳酸氢钠溶液与同浓度的盐酸反应，并调节分液漏斗的活塞控制两侧滴速相同，根据反应现象可探究碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应的过程，进一步探究两个化学反应的实质，加深对复分解反应本质的理解.

【实验四】对可燃物燃烧所需条件的实验改进

1.教材上的实验内容

在500mL烧杯中加入300mL热水，并放入硬纸圈圈住的一小块白磷，在烧杯上盖一片薄铜片，铜片上一端放一小堆干燥的红磷，另一端放一小块已用滤纸吸去表面水的白磷（如图4Ⅰ），观察现象.

用导管对准上述烧杯中的白磷，通入少量氧气（或空气，如图4Ⅱ）观察现象.

2.教材中该实验的不足

教材中对可燃物“燃烧条件”实验装置的设计是在非密闭的空间进行的，白磷和红磷在开放的体系中燃烧，产生的白烟（P2O5）会对环境造成污染，不利于学生和教师的身心健康，因此教材特别注明了该实验需要在通风橱里或抽风设备下进行.然而事实上我们许多的化学教师通常都是在普通教室里完成该实验的演示.部分学校实验室中也缺少通风橱或抽风设备，部分教师虽然对该实验进行了一些改进设计，但是效果也不是很理想.由于白磷和红磷燃烧产生的污染问题没有得到很好的解决，因而有不少化学教师对该实验往往采用“黑板讲实验”或利用现成“多媒体播实验”的方式来处理，一定程度上弱化了這一经典实验的教学功能，同时也弱化了学生的动手能力、解决问题的能力及创造性思维能力.

3.用U型管改进实验后的装置及药品，如图5所示.

4. U型管改进实验后的操作及产生的现象及原因分析.

（1）在半封闭式U型管的两端分别加入体积相同的冷水和热水.并分别在冷水和热水中加入两块大小相同的白磷，然后迅速塞上橡皮塞（橡皮塞上带有铜丝绕成的隔板），观察U型管内两块白磷都没有燃烧.说明可燃物燃烧的条件之一是可燃物需要与氧气或空气接触.

（2）将该装置倒置，能够观察到热水中的白磷开始燃烧，而冷水中的白磷仍然没有燃烧.说明可燃物燃烧的又一条件是所需温度必须达到该可燃物的着火点.

（3）所有实验完成后，将U型管再次倒置，振荡，这样就消除了产生的P2O5对空气可能造成的污染.

5.对比教材实验，该改进实验的优点体现在如下几个方面：

（1）实验在封闭体系中进行，绿色环保、无污染，这是教材实验所不具备的最大优点.

（2）实验的操作简便易行，且有很好的重复性，实用性强，有利于在各种不同类型的学校中推广和普及.

（3）改进后的实验使用的药品种类少（只用了白磷，没有使用红磷）、药品使用量也减少，即节约了资源，又避免了药品的浪费.

（4）该改进实验不仅可以作为教师的演示实验，同时也适合在教师指导下的学生分组探究实验.

总之，U型管看似普通，但在初中化学实验中的作用不可小觑，通过使用变形或改进后的U型管组合成不同类型的实验装置，简化实验操作和步骤，增强教师演示和学生分组探究的实验效果，充分发挥化学实验的探究功能，为学生的科学探究和意义建构提供直接或间接的证据，为实验教学的有效开展发挥积极的作用.

参考文献：

[1]王晶，邓长龙.义务教育教科书·化学（九年级上册） [M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]谢丹敏，汤中华.封闭式U型管在对比实验中的应用[J].化学教学，2016（04）：81-84.

（收稿日期：2019-06-15）