直角试管改进装置用于几个化学实验的尝试

徐作培，李德前，周珊珊

摘要： 将普通试管改制为直角试管。借助直角试管改进了教学中常见的检验火柴头中硫元素、比较碳酸钠与碳酸氢钠的热稳定性、CO还原氧化铜等实验，取得了较好的教学效果。

关键词： 直角试管； 实验改进； 化学实验

文章编号： 1005-6629（2023）02-0065-04    中图分类号： G633.8    文献标识码： B

将普通的试管做成直角形状，就相当于将两支相互垂直的普通试管融为一体了。因为这个特殊而巧妙的结构，使得直角试管内可以同时放置三种不同状态的药品（或试剂），因而可以进行多种实验。为了扩大直角试管的适用范围，我们在定制时选用了石英玻璃材质，图1所示就是2cm×15cm×15cm石英材质直角试管，其外径是2cm，竖直支管和水平支管的长度均是15cm。

下面结合具体的实验改进案例，介绍直角试管在中学化学实验中的应用。

1  检验火柴头中含有硫元素实验

现行江苏教育出版社出版的普通高中《实验化学》教科书中安排了检验火柴头中硫元素实验，现行上海教育出版社出版的九年级化学教科书（全国版）中安排了检验二氧化硫实验，两个实验均使用图2所示的实验装置［1，2］。上述实验设计，不仅操作繁琐，而且环保措施不足，尤其是捕获的二氧化硫的量很少，致使实验现象不够明显。

我们借助直角试管对上述实验进行改进和优化，取得了显著的实验教学效果。

1.1  实验用品

火柴头、高锰酸钾稀溶液；2cm×15cm×15cm直角试管、2000mW激光笔、小气球、镊子、铁架台

1.2  实验装置

借助直角試管设计的实验装置如图3所示（夹持装置略）。

1.3  实验步骤

（1） 取一支直角试管，将10mL左右的高锰酸钾稀溶液注入试管底部，再将直角试管固定到铁架台上。

（2） 将两粒火柴头放置于直角试管的水平支管中部，然后将一个小气球直接套接在试管口上（确保装置不漏气），最后按图3所示安装好整个实验装置。

（3） 打开激光笔，旋转激光笔的透镜，使其发射的光线聚焦在试管内的火柴头上，很快火柴头“噗”的一声爆燃起来，并伴随冒起几缕白烟；稍后，高锰酸钾稀溶液褪为肉色甚至无色。以上实验现象证明，火柴头燃烧产生了二氧化硫气体（有关的化学方程式是S+O2点燃SO2、 2Sb2S3+11O2点燃2Sb2O5+6SO［3］2），进而可知火柴头中含有硫元素。

（4） 实验结束，处理实验尾气（轻轻振荡高锰酸钾溶液），整理实验用品，引导学生完成实验报告。

1.4  几点说明

（1） 利用铁架台固定直角试管时，一般将铁夹夹持在直角试管的竖直支管中部（下同）。

（2） 火柴头选用2～3粒即可，不宜过多，以防火柴头爆燃时冲掉小气球。

（3） 在处理实验尾气时，为了使二氧化硫气体能被高锰酸钾稀溶液充分吸收，高锰酸钾稀溶液以10mL左右为宜。

（4） 本实验也可以使用图4所示的实验装置，在通过激光笔引爆火柴头后，很快观察到品红试纸褪色，从而说明火柴头燃烧生成了二氧化硫气体。

2  比较碳酸钠、碳酸氢钠热稳定性实验

在比较碳酸钠、碳酸氢钠的热稳定性时大都采用“套管实验”（装置如图5所示），虽然实验的对比性强，但是实验装置组装起来非常麻烦。

我们利用直角试管优化上述实验，简化了实验装置，方便了实验操作。

2.1  实验用品

碳酸钠、碳酸氢钠；2cm×15cm×15cm直角试管、配套的单孔橡皮塞、小气球、酒精灯、药匙、铁架台、计时器

2.2  实验装置

借助直角试管设计的实验装置如图6所示（夹持装置略）。

2.3  实验步骤

（1） 准备一支直角试管，先向试管底部加入两药匙碳酸氢钠粉末，再向直角试管的水平支管中部加入两药匙碳酸钠粉末，然后将直角试管固定在铁架台上。

（2） 先将小气球套在大小合适的单孔橡皮塞大头上，再将单孔橡皮塞塞到试管口上（确保装置气密性良好），然后按图6所示安装好整个实验装置。

（3） 点燃酒精灯，先加热碳酸钠2.5min，观察到该白色粉末没有明显变化，小气球的大小没有明显的改变；再加热碳酸氢钠2.5min，观察到白色粉末逐渐减少，试管内壁附有较多的水珠，而且小气球逐渐变大。上述实验现象可以说明，在相同的条件下，碳酸钠热稳定性强，受热不易分解；碳酸氢钠热稳定性差，受热易分解（有关的化学方程式是2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑）。

（4） 实验结束，整理实验用品，引导学生完成实验报告。

2.4  几点说明

（1） 也可以将碳酸钠放在直角试管的底部，碳酸氢钠放在直角试管水平支管的中部。

（2） 也可以先加热碳酸氢钠（观察到小气球逐渐变大），再加热碳酸钠（观察到小气球的大小保持不变）。

3  CO还原氧化铜实验

现行人民教育出版社出版的九年级化学教科书中只呈现了CO还原氧化铜的化学方程式，而没有设计相关的化学实验［4］。一线教师在进行CO还原氧化铜实验时，传统的方法都需要预先借助浓硫酸制好CO，而在危险化学品管制升级的情况下，获得浓硫酸并制备CO着实是一件有风险的事情。

受相关文献资料的启发［5］，借助直角试管，不使用浓硫酸，设计出CO还原氧化铜的一体化装置，充分体现出改进实验的简约性、环保性与综合性。

3.1  实验用品

木炭、二氧化碳气体、表面烧黑的铜片、氯化钯试纸；2cm×15cm×15cm直角试管、配套的单孔橡皮塞、小气球、立式防风打火机（温度可达1100℃）、镊子、铁架台

3.2  实验装置

借助直角试管设计的CO还原氧化铜一体化实验装置如图7所示（夹持装置略）。

3.3  实验步骤

（1） 取一支直角试管，先向试管底部加入几小块木炭，然后将直角试管固定在铁架台上。

（2） 在直角试管的水平支管的中部放置一块表面烧黑的铜片，在水平支管中部的侧壁上附着一张湿润的氯化钯试纸，最后用向上排空气法在直角试管里集满二氧化碳气体。

（3） 立即将套有小气球的单孔橡皮塞塞到试管口上（要确保装置不漏气），最后按图7所示安装好整个实验装置。

（4） 打開立式防风打火机的气体控制阀，按下打火开关，打火机立即喷出上千度的蓝色火苗。将火焰对准木炭加热3min左右，不难发现，小气球逐渐变大，湿润的氯化钯试纸逐渐变为蓝色（有关的化学方程式是C+CO2高温2CO、 CO+PdCl2+H2OCO2+Pd↓+2HCl），证明直角试管里已有较多的CO。

（5） 再将打火机火焰对准烧黑的铜片加热2min左右，铜片逐渐变为红色（有关的化学方程式是CO+CuO△Cu+CO2或CO+2CuO△Cu2O+CO2），有力地证明了CO具有还原性。

（6） 实验结束，处理实验尾气（可将小气球内的气体点火烧掉），整理实验用品，引导学生完成实验报告。

3.4  几点说明

（1） 在将小气球套接到试管口上时，要确保气球是瘪的（里面不残留空气），否则会降低实验体系内CO气体的浓度，影响后续还原反应的效果。

（2） 上述实验装置也适用于CO还原氧化铁的实验。

借助直角试管还可以改进开发出“加热铜绿”“二氧化锰催化作用”“检验铵态氮肥”“铁粉与硫粉的反应”等实验。

参考文献：

［1］王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1［M］. 南京：江苏教育出版社， 2014：32～33.

［2］中学化学国家课程标准研制组. 义务教育教科书·化学（九年级下册）［M］. 上海：上海教育出版社， 2015：108.

［3］王永臻， 魏海， 李德前. 检验二氧化硫实验的组合设计［J］. 化学教学， 2019，（2）：70～72.

［4］课程教材研究所化学课程教材研究开发中心. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 北京：人民教育出版社， 2012：122.

［5］仇荣亚， 李德前.对一氧化碳还原氧化铜一体化实验的优化设计［J］.中国现代教育装备， 2022，（6）：71～72.