劉政

一、實驗發(fā)生器的設(shè)計思路及開發(fā)

在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，教師經(jīng)常會遇到探究兩種固體物質(zhì)與某溶液反應(yīng)快慢的對比實驗，或者某一固體物質(zhì)與兩種不同溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的對比實驗，如果分別操作兩個實驗進行對比，往往會出現(xiàn)時間不同步、試劑用量不易控制等情況，使實驗結(jié)果不明顯甚至得出相反結(jié)論。

為此，我們教研團隊設(shè)計了一套“量氣式多功能同步化學(xué)反應(yīng)實驗器”：使用兩個相同規(guī)格（20mL）的注射器來控制溶液的用量，使用兩個相同規(guī)格（60mL）的廣口瓶作為反應(yīng)容器，連接兩套完全一樣的量氣管裝置，并把這些儀器固定在一個有機玻璃材質(zhì)的儀器架上。經(jīng)過多次實驗演示，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)操作的對比實驗。使用該裝置不僅能夠探究固體與溶液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的快慢，而且能對比相同質(zhì)量的固體物質(zhì)產(chǎn)生氣體的多少。比如，同質(zhì)量的Na2CO3、NaHCO3與同濃度鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氣體的快慢和產(chǎn)生氣體體積的對比;相同質(zhì)量的鋁片分別與同濃度同體積的鹽酸和NaOH溶液反應(yīng)的對比實驗;等等。我們使用該裝置完成的錄像課分別在2021年鄭州市和2022年河南省信息融合課比賽中榮獲一等獎。

為進一步推廣該成功經(jīng)驗，現(xiàn)將該裝置的儀器組成和使用該裝置進行的幾組對比實驗案例分享給大家。

二、實驗發(fā)生器的組成和結(jié)構(gòu)

1.儀器組成

有機玻璃板（按一定要求加工成儀器架）、60mL廣口瓶（兩個）、20mL醫(yī)用注射器（帶針頭）兩支、雙孔橡膠塞兩個、玻璃管（兩根）、長頸漏斗（兩個）、自制量氣管（兩支）、乳膠管等。

實驗器成品圖（圖中所標(biāo)字母A、B、C、D與下文實驗儀器組裝說明中的字母對應(yīng)）

2.儀器組裝

（1）分別把有機玻璃板加工成一定規(guī)格，做成如圖所示儀器A。

（2）用帶刻度的玻璃管與長頸漏斗、乳膠管組合制成兩套量氣管B。

（3）用醫(yī)用注射器（帶針頭）與帶孔膠塞的廣口瓶組合，并安裝適當(dāng)長度玻璃管做成兩套氣體發(fā)生器C。

（4）用有機玻璃板制作一壓液板D，與儀器A組合。

（5）制成的A、B、C、D部件組合后調(diào)整到合適狀態(tài)，即成該實驗器。

3.操作說明

每次實驗開始前，需要先檢驗裝置的氣密性。然后，分別在廣口瓶中加入需要的試劑，在注射器中分別吸入需要的試劑，將注射器針頭插入橡皮塞中且保持等高，調(diào)節(jié)量氣管中兩邊液面相平，按壓壓液板D，使注射器中溶液同時被壓入廣口瓶中，同步進行反應(yīng)。

反應(yīng)結(jié)束后如何讀數(shù)呢？通常有三點注意事項：冷卻到室溫、調(diào)節(jié)兩端液面相平、視線與凹液面相切。具體操作時可以通過調(diào)節(jié)乳膠管和上下移動長頸漏斗的高度，調(diào)節(jié)兩端液面相平后讀數(shù)，以消除液面壓強差對氣體體積的影響，然后再記錄量氣管液面最終讀數(shù)即可。

三、案例展示

相關(guān)實驗案例用到的化學(xué)試劑： NaHCO3固體、Na2CO3固體、稀鹽酸、鋅粒、1mol/LH2SO4、4mol/LH2SO4、5%H2O2溶液、1mol/LFeCl3溶液、1mol/LCuSO4溶液。

案例1：Na2CO3、NaHCO3和稀鹽酸反應(yīng)同步對比

實驗時，首先檢驗裝置氣密性，然后分別在兩個廣口瓶中放入0.5gNaHCO3、0.5gNa2CO3粉末。在注射器中各吸入10mL0.2mol/L稀鹽酸，連接好儀器，將上方的壓液板向下移動（也可用螺栓使之向下緩慢移動），使注射器中的稀鹽酸全部進入廣口瓶，并與NaHCO3、Na2CO3反應(yīng)產(chǎn)生氣體，觀察量氣管及長頸漏斗中液面位置的變化情況，從而比較NaHCO3、Na2CO3與同濃度稀鹽酸反應(yīng)的速率及產(chǎn)生氣體體積的相對大小。若要定量測算NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2體積，需要先讀出量氣管初始體積（每個量氣管中兩側(cè)液面相平）。然后根據(jù)讀數(shù)計算出0.5gNaHCO3和10mL0.2mol/L 稀鹽酸反應(yīng)常溫下產(chǎn)生CO2的體積。該實驗設(shè)計不僅能比較Na2CO3和NaHCO3與同濃度的鹽酸反應(yīng)的劇烈程度，還實現(xiàn)了反應(yīng)的定量測定。

案例2：不同濃度H2SO4和鋅粒反應(yīng)速率同步對比

實驗時，首先檢驗裝置氣密性，然后分別在兩個廣口瓶中裝入0.5g顆粒大小相同的鋅粒，注射器中分別吸入10mL 1mol/LH2SO4溶液和10mL4mol/LH2SO4溶液，連接好儀器，將上方壓液板向下移動，使兩支注射器中的H2SO4溶液全部進入廣口瓶，觀察量氣管及長頸漏斗中液面位置的變化情況，體會濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。（其他案例略）

四、實驗創(chuàng)新點及優(yōu)點

在新課程背景下，對比實驗教學(xué)為培養(yǎng)創(chuàng)新能力和探究精神提供了新的教學(xué)思想和學(xué)習(xí)方法。在該裝置中，教師一人操作就能保證實驗真正同步進行，生成氣體的量可通過量氣管中液體高低不同直接觀察，操作簡便，現(xiàn)象明顯。

該反應(yīng)器適用于初高中化學(xué)教學(xué)中的多個對比實驗，應(yīng)用范圍廣。除了以上案例，該量氣式同步化學(xué)實驗反應(yīng)器也適用于所有固液、液液反應(yīng)產(chǎn)生氣體的速率對比，如相同表面積的鋅、鎂和同濃度稀H2SO4反應(yīng)的對比試驗;比較鋅粒和鋅粉與同濃度鹽酸反應(yīng)的速率;等等。即使不產(chǎn)生氣體的對比實驗也可以使用該同步反應(yīng)實驗器完成，例如探究同濃度Na2S2O3溶液與不同濃度H2SO4反應(yīng)的快慢等。通過該同步反應(yīng)實驗器完成上述實驗，可以觀察化學(xué)反應(yīng)的速率快慢及產(chǎn)生氣體量的多少，定性和定量相結(jié)合，實驗結(jié)果更直觀準(zhǔn)確。

這樣，通過實驗教具的創(chuàng)新達到了對實驗本身的創(chuàng)新，也為一線教師設(shè)計開發(fā)實驗裝置提供了可以參考的樣例，有利于增強學(xué)生的科學(xué)探究意識和創(chuàng)新意識。