三口连接管用于改进化学实验装置
作者： 田晓宇 黄嫣然 秦大斌
摘 要： 针对高中化学必修教材中“氯气的制备”“氨气的制备”“铜与浓硫酸的反应”等三个实验中存在的不足，利用三口连接管改进传统的实验装置，在药品用量、性质检验以及尾气处理等方面进行了一体化的实验设计。改进后的实验具有操作简单、现象明显、试剂耗量小、不污染教室空气等优点。
关键词： 实验改进； 三口连接管； 实验探究
文章编号： 10056629（2024）10007404
中图分类号： G633.8
文献标识码： B
中学化学教科书中有一些经典实验如氯气的制备等，由于受到实验条件的限制，以及产物存在刺激性或有害性等因素，许多化学教师取消了在课堂中进行实验演示和实验操作，使学生的观察能力以及动手操作能力难以获得发展。基于此，本研究利用如图1所示的三口连接管进行相关的实验改进。三口连接管上端由三个带内磨口的支管构成，磨口内径为19mm，中间相互联通，左右两侧支管较长，高约为75mm，中间支管高约50mm，下端是外磨口接口，可根据实际需求与磨口试管、烧瓶、锥形瓶等进行组装。以中学化学教材中的三个实验改进为例，利用三口连接管进行创新设计，与原实验装置相比可达到节约药品、防止有害气体逸散等目的。
1 氯气制备及性质检验
1.1 问题提出
氯气是学生在高中化学中接触的第一个非金属单质，在中学化学教材中占有独特的地位。通过学习掌握氯气的性质对之后非金属的学习有重要的意义，因此，氯气制备及性质检验是重要实验之一。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》要求通过实验探究氯及其化合物的主要性质［1］。
人教版［2］与苏教版［3］均采用二氧化锰与浓盐酸混合加热的方法制氯气，并与氯气的性质实验分开进行。该装置在实际教学中存在以下问题：（1）采用圆底烧瓶与分液漏斗进行实验，药品用量大，不具有环保性。（2）在性质检验前需再次进行气体的制取，操作较繁琐。
通过查阅文献，不少教师对氯气制备及性质检验进行了一体化的改进设计［4］，取得优良成果，但大多依然存在装置复杂、搭建困难、药品用量多等问题。基于此，结合化学教学实际，利用三口连接管设计了一套简单且现象明显的实验装置。
1.2 实验设计
用高锰酸钾代替二氧化锰可减弱因加热造成浓盐酸挥发对实验结果造成干扰。实验原理为：2KMnO4+16HCl（浓）2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O。
实验仪器：三口连接管、铁架台、磨口试管、注射器、脱脂棉、翻口塞、气球等。
实验药品：高锰酸钾固体、浓盐酸、饱和氯化钠溶液、无水氯化钙、有色纸条、淀粉KI试纸、紫色石蕊试纸、酚酞溶液、氢氧化钠溶液等。
实验装置如图2所示。
1.3 实验操作及现象
（1） 检查装置气密性后，向磨口试管中加入0.5g高锰酸钾固体，将其固定在铁架台上。
（2） 用镊子将浸润过饱和氯化钠溶液和包裹有无水氯化钙的脱脂棉团放入三口连接管的右侧支管中。依次将湿润的淀粉KI试纸、湿润的石蕊试纸、湿润有色纸条和干燥有色纸条贴在注射器B（规格为20mL）的内壁上。
（3） 中间支管口用气球包裹严密。左右支管口分别塞入翻口塞，保持整个装置密封。左侧插入吸有2mL浓盐酸的注射器A（规格为10mL），右侧插入步骤（2）准备好的注射器B。
（4） 装置固定后，轻推左侧注射器将浓盐酸注入试管中，体系内逐渐有黄绿色气体产生，气球逐渐变大。
（5） 轻轻向外拉动注射器B活塞，充分吸入产生的气体，几秒后可观察到注射器内湿润的有色纸条退色、干燥的有色纸条颜色无变化、淀粉KI试纸变蓝后又退色、紫色石蕊试纸变红后又退色。
（6） 实验结束后，向内推动注射器B活塞将气体推回装置内，换用注射器C（规格为20mL）向一侧的支管口注入氢氧化钠溶液处理装置内残留的气体至气球变瘪。
2 氨气制备
2.1 问题提出
氨气是一种重要的含氮化合物，人教版2019版教材［5］中利用氯化铵和氢氧化钙发生复分解反应制取氨气，虽然该实验装置搭建简单，但在实际教学中存在着以下问题：（1）氯化铵受热分解为HCl气体和氨气在试管口冷却后又重新结合成氯化铵晶体会堵塞导管；（2）在气体收集的试管口仅用棉花塞住依然会有氨气泄露，污染环境。
不少学者对该实验也进行了改进，有一定效果［6］。但部分装置仍存在搭建困难、气密性差、药品用量多等问题。基于此，结合化学教学实际，利用三口连接管设计了一套简单且现象明显的实验装置。
2.2 实验设计
采用浓氨水与氢氧化钠混合制取氨气。实验原理为：NH+4+OH-NH3·H2ONH3↑+H2O。
实验仪器：三口连接管、铁架台、磨口试管、注射器、脱脂棉、翻口塞、气球等。
实验药品：浓氨水、氢氧化钠固体、酚酞溶液、浓盐酸、稀盐酸等。
实验装置如图3所示。
2.3 实验操作及现象
（1） 检查装置气密性后，向磨口试管中加入0.5g NaOH固体，将其固定在铁架台上。
（2） 用镊子将滴有酚酞溶液的脱脂棉团放入三口连接管的中间支管中。中间支管口用气球包裹严密，左右支管口塞入翻口塞，保持整个装置密封。
（3） 左侧插入吸有4mL浓氨水的注射器A（规格为10mL），右侧插入放有浸过浓HCl脱脂棉的注射器B（规格为10mL）。
（4） 装置固定后，轻推注射器A将浓氨水注入磨口试管中，几秒后气球逐渐变大，滴有酚酞溶液的脱脂棉团由无色变成浅红色。
（5） 轻轻向外拉动注射器B的活塞，吸入装置内产生的气体，可观察到注射器B内有白烟产生（NH3+HClNH4Cl）。
（6） 实验结束后，将注射器B内残留的气体推回装置内，换用注射器C（规格为20mL）向一侧的支管口注入稀盐酸处理装置内残留的气体至气球变瘪。
3 铜与浓硫酸的反应
3.1 提出问题
铜与浓硫酸反应实验是学生认识浓硫酸性质的重要途径之一，人教版2019版教材［7］编排的实验，验证了铜与浓硫酸的反应产物SO2的漂白性和酸性，现象比较明显，但还存在以下问题：（1）缺少防倒吸装置，在反应过程中品红溶液容易被倒吸至反应试管中。（2）用浸有NaOH溶液的棉团处理尾气，难以确保产生的SO2被全部吸收。（3）装置内部残留的SO2会泄漏污染空气。
查阅相关文献，有教师对该实验进行了创新设计，对产物二氧化硫的性质进行了验证，现象明显［8］。但实际应用时仍存在装置复杂、不利于课堂演示、药品用量过多等问题。基于此，笔者结合化学教学实际，利用三口连接管设计了一套简单且现象明显的实验装置。
3.2 实验创新设计
铜与浓硫酸共热，其实验原理为：Cu+2H2SO4（浓）△CuSO4+SO2↑+2H2O。
实验仪器：三口连接管、铁架台、磨口试管、注射器、脱脂棉、翻口塞、气球等。
实验药品：铜丝、品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、紫色石蕊试纸、氢氧化钠溶液、蒸馏水等。
实验装置如图4所示。
3.3 实验操作及现象
（1） 检查装置气密性后，向磨口试管中加入4mL浓硫酸，将其固定在铁架台上。
（2） 用镊子分别将浸润过酸性高锰酸钾溶液和品红溶液的脱脂棉团放入三口连接管的左右两侧支管中。并将湿润的紫色石蕊试纸贴在右侧支管的内壁上。
（3） 在翻口塞上打出孔径为1mm的细孔，把下端绕成螺旋状的铜丝（直径为1mm）用凡士林涂抹穿过翻口塞后，将其固定在中间支管上，将三口连接管与磨口试管连接，此时铜丝未接触浓硫酸。
（4） 左右两侧支管口分别用气球包裹严密，保持整个装置密封。装置固定后，轻轻将铜丝伸入磨口试管的浓硫酸中，此时没有明显现象。
（5） 将铜丝抽离浓硫酸，点燃酒精灯加热浓硫酸至有少量白雾产生，将铜丝再次与浓硫酸接触，一段时间后可观察到气球逐渐变大，浸有品红溶液的脱脂棉退色，浸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉退色，湿润的紫色石蕊试纸变红。
（6） 轻轻将铜丝与浓硫酸抽离，将酒精灯移至放有浸过品红溶液脱脂棉的位置进行加热，几秒后可观察到退色的脱脂棉又变为红色。
（7） 熄灭酒精灯，将吸有蒸馏水的注射器A（规格为20mL）通过翻口塞注入到磨口试管中，观察到试管中溶液呈现蓝色，再用吸有饱和氢氧化钠的注射器B（规格为20mL）通过翻口塞注入，处理装置内的残留的气体至气球变瘪。
4 装置优点
4.1 装置一体化
利用三口连接管能够将气体制备与性质检验结合于一体。如在氯气制备中，实现了对氯气的氧化性、酸性、氯气与水反应产物（HClO）的漂白性的验证。再如氨气实验以及铜与浓硫酸实验也均实现了对氨气的碱性、氨气与浓盐酸化合以及二氧化硫的酸性、还原性、漂白性等性质的验证。在短时间内就可以一气呵成，且现象明显，有利于提高教学效率。
4.2 过程环保化
与教材的实验装置和其他实验改进相比，利用三口连接管可以在保证药品量较少的同时，产生明显的实验效果。另外，装置中的气球起到平衡气压和吸收尾气的作用；翻口塞在维持装置气密性的同时，可利用注射器对装置内残留气体进行处理，体现了绿色化学的实验原则。
4.3 实验简单化
除了三口连接管外，其余选用的均是简单易得的物品，便于普及，有利于落实到基础设施条件较差的学校。此外，该实验装置组装简单，易于教师课堂演示和学生动手操作，有利于促进学生思维发展和培养实验动手能力。
综上，除以上列举的三个实验外，结合三口连接管的特点，还可设计出其他更简便且直观的化学实验，如初中化学教材中二氧化碳的制备实验、高中化学教材中乙醇的催化氧化实验等。
参考文献：
［1］中国人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.
［2］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学必修第一册［M］. 北京： 人民教育出社， 2019： 45.
［3］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学必修第一册［M］. 南京： 江苏凤凰教育出社， 2020： 58.
［4］刘江， 洪俊华， 赵宁东， 徐怀春. 气体制备及性质验证综合一体化创新设计［J］. 化学教学， 2021， 43（2）： 62～66.
［5］［7］王晶， 郑长龙主编. 普通高中化学教科书·化学必修第二册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 15，5.
［6］丁志忠， 卢新生， 李榕. 氨气制备及性质验证实验装置的改进［J］. 山东化工， 2023， 52（8）： 79～81， 85.
［8］周密， 岑秋琳， 安浪沙， 王中华. 用N形管和三通阀改进铜与浓硫酸反应实验［J］. 化学教学， 2023， （10）： 71～73.