十字型玻璃管改进化学实验装置

摘 要：  利用自制的十字型玻璃管作为反应装置的主体，改进了“加热碳酸氢铵”“探究燃烧条件”“氯气的制备与性质”和“二氧化硫的制取与性质”四个实验。改进后的实验装置具有使用方便，现象明显，药品用量少，环保无污染等优点，取得了较好的教学效果。

关键词：  十字型玻璃管； 改进实验； 自制教具

文章编号： 10056629（2024）10006404

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确指出：“可采取演示实验或替代品进行实验，鼓励实验的绿色化设计，开展微型实验。［1］”而自制实验教具的研制能够改进与优化实验效果，满足个性化教学的需求，更好地服务实验教学。本研究团队从绿色化学理念出发，利用研制的十字型玻璃管与常规仪器用品的精巧组合，改进系列实验，取得了较为显著的教学效果。为了扩大十字型玻璃管的应用范围，满足加热或高温条件下的反应实验，定制时特选择了石英玻璃材质，其结构及相关尺寸如图1所示。

下面结合具体的实验改进与创新实例，介绍十字型玻璃管在四个改进的中学化学实验中的作用。

1 加热碳酸氢铵的实验

现行上教版九年级化学教科书第1章第1节［2］编排加热碳酸氢铵的实验（装置图略）是通过将盛有碳酸氢铵的蒸发皿置于三脚架上，用酒精灯加热来推测碳酸氢铵变少的原因。而将碳酸氢铵置于空气中加热，分解产生的氨气污染环境，有损师生健康，不符合绿色化学理念。且对分解的产物也缺乏验证。

为此我们利用十字型玻璃管改进该实验，克服了原实验存在的不足。

1.1 实验原理

碳酸氢铵受热会分解生成氨气、水和二氧化碳，其化学方程式为：NH4HCO3△NH3↑+H2O+CO2↑，氨气溶于水能使酚酞溶液变红，水蒸气能使无水硫酸铜变蓝，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，碱石灰可吸收水蒸气和CO2。

1.2 实验用品

十字型玻璃管、铁架台（带铁夹）、橡皮塞1只、胶头滴管1支、小气球2只、酒精灯1个、一次性医用注射器（60mL）1支、药匙、镊子、托盘天平、打孔器；棉花团、碳酸氢铵、酚酞试纸、澄清石灰水、稀硫酸、无水硫酸铜、蒸馏水、碱石灰

1.3 实验装置

借助十字型玻璃管设计的实验装置见图2（夹具略）。

1.4 实验步骤及现象解释

（1） 取一个十字型玻璃管，用药匙向中间玻璃管

底部加入约0.5g碳酸氢铵固体后，将玻璃管固定在铁架台上。

（2） 用镊子将裹有碱石灰的棉花团置于十字型玻璃管左侧管内，稍左部位放一片湿润的酚酞试纸；用药匙取适量无水硫酸铜置于十字型玻璃管右侧管内，稍右部位用浸有澄清石灰水的棉花团涂上澄清石灰水。

（3） 在十字型玻璃管左右侧管口分别套上小气球，上方管口塞上带注射器（已吸入适量稀硫酸）的橡皮塞，用酒精灯外焰对准十字型玻璃管底部位置加热，片刻后移去酒精灯，观察管内的实验现象。

（4） 十字型玻璃管左侧管内湿润的酚酞试纸逐渐变红，说明生成了溶于水呈碱性的氨气，右侧管内无水硫酸铜粉末变蓝，说明生成了水，涂有澄清石灰水的管内壁变模糊，说明生成了二氧化碳。

（5） 反应结束，装置冷却后，将十字型玻璃管上方注射器内稀硫酸推入管内，振荡，进行多余氨气的处理。

2 探究燃烧条件实验

现行上教版九年级化学教科书第4章第1节［3］编排探究燃烧的条件的内容中没有安排实验，只是在“交流与讨论”栏目设置问题串：1．所有的物质都能燃烧吗？2．具有可燃性的物质在什么条件下能燃烧？用玻璃杯罩住燃着的小蜡烛，小蜡烛能长时间持续燃烧吗？3．火柴、蜡烛、木条和煤，哪个比较容易被点燃？通过这样三个问题要求学生根据生活经验和已学知识思考问题和总结燃烧发生的条件。然而，由于学生个体的差异并不能使每个学生对燃烧发生的条件都会产生正确的认知，课后“练习与实践”栏目［4］编排了使用红磷和白磷分别置于铜片上的实验来探究燃烧的条件（装置图略）。铜片上的白磷在空气中燃烧生成五氧化二磷，不利于师生健康，还会和空气中的水蒸气反应生成有毒的偏磷酸，不符合绿色化学理念。为此，我们利用十字型玻璃管增补了无污染外溢的探究燃烧条件的新实验。

2.1 实验原理

白磷的着火点是40℃，当白磷与空气或氧气接触，同时温度达到其着火点，燃烧就能发生，反应的化学方程式为：4P+5O2点燃2P2O5；氢氧化钠溶液能够吸收五氧化二磷，反应的化学方程式为：P2O5+6NaOH2Na3PO4+3H2O。

2.2 实验用品

十字型玻璃管、铁架台（带铁夹）、橡皮塞1只、小气球2只、直角长导管1个、酒精灯1个、小刀、镊子、滤纸、乳胶管、火柴、打孔器；白磷、80℃热水（溶有适量NaOH）、罐装氧气

2.3 实验装置

借助十字型玻璃管设计的实验装置见图3（夹具略）。

2.4 实验步骤及现象解释

（1） 取一个十字型玻璃管，固定在铁架台上，用镊子向左右两侧管内分别放一块绿豆般大小，已经用滤纸吸去表面水分的白磷，然后在左右两侧管口各套一个小气球。

（2） 向中间玻璃管中加入一定量80℃溶有适量NaOH的热水，用镊子取一块黄豆般大小的白磷投入热水中，把带导管的橡皮塞塞紧，然后将导管接上罐装氧气瓶。

（3） 点燃酒精灯，用外焰对准十字型玻璃管左侧白磷部位加热，不一会，管内左侧白磷燃烧起来，而右侧管内白磷不燃烧。然后打开罐装氧气瓶阀门，向中间管内热水中缓缓通入氧气后，管内底部的水下白磷燃烧起来。

（4） 十字型玻璃管左侧管内白磷燃烧，右侧管内白磷不燃烧，说明可燃物燃烧需要温度达到其着火点；左侧管内白磷燃烧，而在80℃热水中的白磷不燃烧说明可燃物燃烧需要氧气；从中间玻璃管上部的导管里通入氧气后，管内水下的白磷燃烧起来，说明可燃物需要温度达到其着火点同时与氧气接触才能燃烧。

（5） 反应结束，装置冷却后，将十字型玻璃管内液体充分振荡，进行五氧化二磷的处理。

3 氯气的制备与性质实验

现行苏教版普通高中教科书必修1专题3第一单元［5］编排有通过二氧化锰和浓盐酸加热反应制备氯气的实验（装置图略）。该方法制得的氯气中含有一定量的水蒸气和氯化氢，会影响后续安排的性质实验［6］；每个实验都需要单独演示，氯气的消耗量很大，需提前制备好氯气备用，使实验步骤较烦琐，耗时也太长，极易造成有毒气体的泄漏污染环境。为此，我们利用十字型玻璃管设计了现象明显、安全环保、用药微量化的氯气制备及其性质实验新装置。

3.1 实验原理

用高锰酸钾和浓盐酸混合，不需加热，在常温下就能反应生成Cl2，反应的化学方程式为：2KMnO4+16HCl（浓）2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑；使用饱和食盐水可以减少Cl2因溶解造成的损耗，以及除去混在Cl2中的HCl；使用无水氯化钙可以干燥Cl2，Cl2能使湿润的淀粉KI试纸变蓝，使湿润的蓝色石蕊试纸变红；变红的石蕊试纸和湿润的红色纸条退色，是Cl2与H2O反应生成的HClO具有漂白作用；多余的Cl2用NaOH溶液处理。

3.2 实验用品

十字型玻璃管、铁架台（带铁夹）、橡皮塞3只、胶头滴管1支、小气球2只、玻璃管2根、50mL烧杯1只、一次性医用注射器（60mL）1支、药匙、镊子、乳胶管、固体胶、托盘天平、打孔器；棉花团、KMnO4粉末、浓盐酸、饱和食盐水、蒸馏水、无水氯化钙、氢氧化钠溶液、淀粉KI试纸、蓝色石蕊试纸、红色纸条

3.3 实验装置

借助十字型玻璃管设计的实验装置见图4（夹具略）。

3.4 实验步骤及现象解释

（1） 取一个十字型玻璃管，用药匙向玻璃中管底部加入约1.0g KMnO4粉末，将玻璃管固定在铁架台上。

（2） 用镊子将浸有适量饱和食盐水和裹有无水氯化钙固体的棉花团先后放置在十字型玻璃管左侧向里位置，再取浸有适量饱和食盐水的棉花团放置在十字型玻璃管右侧向里位置。

（3） 将2根带橡皮塞的玻璃管尾部用乳胶管套上小气球，将其中1根玻璃管中上部用固体胶分别缠绕一圈干燥蓝色石蕊试纸、干燥红色纸条，另1根玻璃管中上部用固体胶分别缠绕一圈干燥蓝色石蕊试纸、干燥红色纸条、干燥淀粉KI试纸，然后用胶头滴管对着试纸滴加1～2滴蒸馏水，形成湿润试纸，将带玻璃管（缠绕干燥试纸）的橡皮塞塞紧十字型玻璃管左侧管，将带玻璃管（缠绕湿润试纸）的橡皮塞塞紧十字型玻璃管右侧管。

（4） 用一次性医用注射器吸取适量浓盐酸，套上橡皮塞，再将带注射器的橡皮塞塞紧十字型玻璃管中管上口。轻轻推动注射器栓塞，控制流速，使浓盐酸缓缓流下，注入约2mL浓盐酸，观察管内实验现象。

（5） 在十字型玻璃中管内产生黄绿色气体，左侧管内干燥蓝色石蕊试纸不变色，右侧管内湿润蓝色石蕊试纸先变红又很快退色，说明Cl2本身没有酸性，溶于水形成的氯水中不仅含有酸性物质HCl和HClO，而且HClO具有强氧化性；左侧管内干燥红色纸条不变色，右侧管内湿润红色纸条退色，说明Cl2本身没有漂白性，与H2O反应生成的HClO具有漂白性；右侧管内湿润淀粉KI试纸先变蓝后退色，先变蓝是因为Cl2的氧化性比I2强，Cl2将I-氧化成了单质碘。单质碘能使淀粉变蓝，后退色是因为过量的Cl2将I2氧化成了IO－3。

（6） 反应结束后，将十字型玻璃中管上口的注射器换下，吸取一定量的氢氧化钠溶液推入管内，进行多余氯气及氯化氢的处理。

4 二氧化硫的制取与性质实验

现行苏教版普通高中化学教科书必修1专题4第一单元［7］编排了二氧化硫的几个性质实验，但没有提及SO2的氧化性，加上每个实验都需要单独演示，需事先制备和收集好气体，不仅操作烦琐，而且易造成SO2逸散，污染环境。为此我们利用十字型玻璃管设计了现象十分明显的二氧化硫的制取与性质检验新实验，还增补了SO2的氧化性实验。

4.1 实验原理

用Na2SO3和浓硫酸混合，不需加热，在常温下就能反应生成SO2，反应的化学方程式为：Na2SO3+H2SO4（浓）Na2SO4+H2O+SO2↑；SO2溶于H2O生成H2SO3，H2SO3溶液显酸性，能使石蕊溶液变红；SO2能使KMnO4溶液退色，反应的化学方程式为：2KMnO4+5SO2+2H2OK2SO4+2MnSO4+2H2SO4；SO2能与Na2S反应生成淡黄色的硫单质和亚硫酸钠，反应的化学方程式为：3SO2+2Na2S3S↓+2Na2SO3；SO2具有漂白性，能使品红溶液退色，对退色的溶液加热，溶液颜色可以复原，说明SO2的漂白性是可逆的；多余的SO2用NaOH溶液处理。

4.2 实验用品

十字型玻璃管、铁架台（带铁夹）、橡皮塞3只、小气球2只、玻璃管2根、一次性医用注射器（60mL）1支、药匙、镊子、乳胶管、固体胶、剪刀、托盘天平、打孔器；Na2SO3固体、浓硫酸、石蕊溶液、KMnO4溶液、Na2S溶液、品红溶液、滤纸

4.3 实验装置

借助十字型玻璃管设计的实验装置见图5（夹具略）。

4.4 实验步骤及现象解释

（1） 取一个十字型玻璃管，用药匙向十字型玻璃中管底部加入约1.0g Na2SO3固体，将十字型玻璃管固定在铁架台上。

（2） 将2根带橡皮塞的玻璃管尾部用乳胶管套上小气球，将其中1根长玻璃管中上部用固体胶分别缠绕三个滤纸圈，然后从左往右，在滤纸圈上分别滴上Na2S溶液、KMnO4溶液、石蕊溶液，再将带该长玻璃管（缠绕滴有各种溶液的滤纸）的橡皮塞塞紧十字型玻璃管左侧管；用镊子取一片滴有品红溶液的滤纸条放在十字型玻璃管右侧管内，然后塞上带短玻璃管的橡皮塞。

（3） 用一次性医用注射器吸入适量浓硫酸，再将注射器套上橡皮塞塞入玻璃试管中管上口，轻轻推动注射器栓塞，控制流速，使浓硫酸缓缓流下，注入约2mL浓硫酸，观察管内实验现象。

（4） 十字型玻璃管左侧管内滴有石蕊溶液的滤纸变红，说明SO2溶于水生成的H2SO3溶液具有酸性；滴有KMnO4溶液的滤纸退色，说明SO2具有还原性，能将MnO-4还原成Mn2+；滴有Na2S溶液的滤纸变黄，说明SO2具有氧化性，能将S2-氧化成S单质；右侧管内滴有品红溶液的滤纸退色，说明SO2具有漂白性，用酒精灯外焰对准退色的滤纸加热，一会儿滤纸又变红，说明SO2的漂白性是可逆的。

（5） 反应结束后，将十字型玻璃中管上口注射器换下，吸入一定量NaOH溶液推入管内，进行多余SO2的处理。

5 结语

十字型玻璃管既适合演示实验，提升个性化实验教学效果，也适合学生分组实验。该装置除了能应用于上述四个改进实验外，还能用来探究二氧化碳的制取和性质实验、探究CO和金属氧化物等反应的实验以及探究氮的氧化物的性质实验等。

参考文献：

［1］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.

［2］［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： 3， 93， 99.

［5］［6］［7］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学（必修第一册）［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 58， 61， 91.