具支U型管与小试管组合装置进行对比实验的尝试

摘 要： 利用封底的具支U型管与小试管组装成对比实验装置，借助该装置设计了“探究物质燃烧的条件实验”和“比较金属活动性强弱实验”等多个对比实验。新实验装置的使用操作方便、药品用量少，不污染教室空气，实验现象明显，满足了个性化实验的需要，提升了实验教学的实效性，有效帮助了学生理解和掌握化学知识和实验技能。

关键词： 具支U型管； 组合装置； 对比实验； 实验改进

文章编号： 10056629（2024）08007804

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

江苏省教研室第15期立项课题“指向‘科学探究与实践’的初中化学实验创新教学研究”（课题编号：2023JY15L94）；镇江市教育科学研究中心2021年教育教学研究立项课题“实验创新设计在初中化学教学中应用策略的研究”（课题编号：2021jkyL026）阶段性成果。

“以实验为基础”的学科特征决定了化学实验对于发展学生的化学学科核心素养起着至关重要的作用［1］。《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确指出：“有条件的学校尽可能多地为学生提供动手实验的机会；条件有限的学校可采取演示实验或替代品进行实验。［2］”本工作室团队利用研制的封底具支U型管与小试管进行巧妙的组装，制成一套对比实验装置，应用该装置开发了多个对比实验。

1 对比实验装置的制作

在具支U型管（20mm×200mm）的中下部需要封闭的位置，先用记号笔画好刻度，再取适量太空泥，捏成圆柱状（直径稍小于U型管的口径），然后塞进需要封闭的空间，使用一次性筷子或玻璃棒推压管内的太空泥，使U型管内需要封闭的空间被完全堵实填平。晾干12 h后，向左右支管被封闭的位置分别滴加适量XZX631透明慢干胶水（防水、耐热温度280℃），使泥层完全被胶水覆盖，胶层厚度达3mm左右，将U型管水平固定在铁架台上24h后，即制成可使用的封底U型管。将带硅胶塞（3#）的小试管（15mm×100mm）与封底U型管组装起来就制成了一套对比实验装置（见图1）。

2 对比实验装置的实验案例

2.1 探究物质燃烧的条件实验

现行上教版九年级教科书第四章第一节［3］编排“燃烧的条件”内容没有安排具体实验，仅在交流与讨论栏目中要求学生凭借生活经验和已学知识思考问题和总结燃烧发生的条件，由于学生生活经验积累的差异性，很难使每个学生对燃烧发生的条件都有正确的认知；课后“练习与实践”栏目［4］又编排了使用红磷和白磷作为可燃物露置在空气中作比较来探究物质燃烧的条件（装置见图2），铜片上的白磷在空气中燃烧除了生成的白烟会刺激人的呼吸道外，产物五氧化二磷还能与空气中的水蒸气反应生成有毒的偏磷酸。为此我们做了如下改进的对比实验。

2.1.1 实验原理

白磷的着火点是40℃，红磷的着火点是240℃，两者与空气（或氧气）接触，温度达到各自的着火点时，就会发生燃烧。白磷燃烧的化学方程式为4P+5O2点燃2P2O5，白磷在缺少氧气、红磷在温度达不到其着火点的条件下均不能燃烧。

2.1.2 实验用品

对比实验装置、铁架台（带铁夹）、小气球4只、镊子、药匙、胶头滴管、乳胶管；滤纸、白磷、红磷、80℃的水

2.1.3 实验装置

设计的新实验装置见图3（夹持仪器略）。

2.1.4 实验步骤及现象解释

（1） 将对比实验装置左右外侧具支口套上小气球后，固定在铁架台上，用胶头滴管分别向对比实验装置左右2个支管里加入约4mL 80℃的水。

（2） 用镊子取一块绿豆大小的白磷，将其投入对比实验装置左边支管的热水里。

（3） 用镊子另取一块绿豆大小的白磷，用药匙取少量红磷，分别放入两支带硅胶塞的小试管中，随即在每个小试管口套上小气球。

（4） 将两支带硅胶塞的小试管分别塞进对比实验装置左右2个支管中，接触管内的热水，不一会观察到左边小试管内产生白烟，伴有黄色的火焰，右边小试管内的红磷及对比实验装置左边支管水下的白磷均没有燃烧。

（5） 对比实验装置左边支管水下的白磷没有燃烧是因为缺少氧气，右边小试管内的红磷没有燃烧是因为温度未达到红磷的着火点，而左边小试管内的白磷燃烧是因为可燃的白磷与氧气接触，温度达到了其着火点。

2.1.5 几点说明

（1） 利用铁架台将对比实验装置固定时，一般是将铁夹夹持在具支U型管底部的中间位置（下同）。

（2） 用镊子向对比实验装置左侧试管内投放白磷时，需要用滤纸吸去其表面的水分。

（3） 对比实验装置左侧试管内未反应完的白磷可以通过加入硫酸铜溶液来进行处理，有关反应的化学方程式为2P+5CuSO4+8H2O5Cu+2H3PO4

+5H2SO4，右侧试管中的红磷以及左边支管水下的白磷可以重复使用。

2.2 比较金属活动性强弱实验

现行上教版九年级教科书第七章第二节［5］编排了将镁条、锌粒、铜片分别放入稀硫酸、稀盐酸中发生反应，根据金属能否与酸溶液发生置换反应以及发生反应的剧烈程度来说明金属的活动性强弱，这是不够科学的，因为金属活动性强弱是热力学而非动力学研究范畴。据查阅文献［6］，通过在相同条件下，金属与酸溶液发生置换反应时放出热量的多少来判断金属活动性的强弱是可行的、科学的。为此我们做了如下的对比实验。

2.2.1 实验原理

金属镁、锌、铁都能与稀盐酸发生置换反应，有关反应的化学方程式为：

Mg+2HClMgCl2+H2↑

Zn+2HClZnCl2+H2↑

Fe+2HClFeCl2+H2↑

相同条件下，新实验装置中直角导管内红色的水上升的高度越高，金属与酸溶液发生置换反应放出的热量就越多，则该金属的金属活动性就越强。

2.2.2 实验用品

对比实验装置、铁架台（带铁夹）、小气球2只、直角导管（口径5mm）2个、乳胶管、镊子、10mL量筒、托盘天平、药匙、镊子、纸片、胶头滴管、记号笔、20cm直尺；红色水、镁条、锌粒、铁粉、铜片（4种金属均过量）、2mol/L的稀盐酸

2.2.3 实验装置

设计的新实验装置见图4（夹持仪器略）。

2.2.4 实验步骤及现象解释

（1） 将对比实验装置固定在铁架台上，用乳胶管将对比实验装置左右两侧的支管口与直角导管连接好，然后分别向左右两个小试管里注入5mL 2mol/L的稀盐酸，塞紧带小试管的硅胶塞，用胶头滴管吸取红色水，向2个直角导管内分别滴入等量红色水（用记号笔做好水的高度标记）。

（2） 用两镊子夹取约0.5g镁条和0.5g锌粒，分别投入对比实验装置左右两个小试管内，同时在两个小试管口套上小气球。

（3） 观察到镁条与稀盐酸反应非常剧烈，产生大量的气泡；锌粒与稀盐酸反应比较剧烈，产生较多量气泡，一段时间后分别记录下直角导管内红色水上升的最高高度。反应结束后，镁条和锌粒均有剩余。

（4） 换用约0.5g铁粉（改用药匙操作）和铜片，重复上述实验步骤（1）、（2）、（3），加入铁粉的小试管中较慢产生气泡，铜片表面则无明显现象，一段时间后记录下直角导管内红色水上升的最高高度。反应结束后，铁粉和铜片均有剩余。

（5） 上述实验记录的相关数据见表1。

对比表1的实验数据可知，直角导管内红色水上升的最高高度是：镁最高，锌次之，铁最小，铜不变。所以在相同条件下，四种金属分别与同浓度等体积的稀盐酸反应时放出的热量大小关系为：Mg>Zn>Fe>Cu，即这四种金属的金属活动性由强到弱排列的顺序是：Mg>Zn>Fe>Cu。

2.2.5 几点说明

（1） 实验前，使用的镁条和锌粒均需要用砂纸打磨，以除去金属表面的氧化膜，防止弱化了反应的热效应。

（2） 实验时滴加的红墨水不宜过多，一般2～3滴即可，加多了，在进行铁粉和稀盐酸反应实验时，会出现红色水上升的高度不明显。

（3） 由于该实验是一个定量化的能量变化测定实验，故实验时需要在环境温度相对稳定的场所演示，否则实验可能会引起较大误差。

3 结语

本装置除了能应用于上述两个创新实验外，还能用来探究不同催化剂催化分解过氧化氢的效果、探究铁锈蚀条件及影响铁锈蚀快慢的因素、探究物质溶解时吸热或放热等多个对比实验。对比实验装置的设计与应用，不仅满足了个性化实验的需要，提升了实验的教学实效，而且在改进实验中，培养了学生的实证意识，有效促进学生深入理解和掌握化学知识和实验技能，引导学生学习科学方法，发展学生的科学思维和创新意识［7］。

参考文献：

［1］杨玉琴编著. 化学教学论［M］. 上海： 化学工业出版社， 2023： 159.

［2］［7］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022： 43.

［3］［4］中学化学国家课程标准研制组编著. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2017： 93， 99.

［5］中学化学国家课程标准研制组编著. 义务教育教科书·化学（九年级下册）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2017： 41.

［6］徐丹丹， 李德前， 周珊珊等. 用封底V形管进行较高温度下的对比实验［J］. 化学教学， 2023， （12）： 76.