J形管在我國中學化學實驗中的應用並不廣泛,在現行使用的上科版高中化學教材中,也僅出現一次。筆者通過實驗研究發現,J形管(實驗室現有J形管規格:長管28 cm、短管11 cm、內徑2.5 cm)可以在高中化學很多實驗中進行有效應用。
1、用J形管做系列固、液相反應制取氣體的實驗
J形管在上科版高三化學課本中,設定有金屬鈉與水的實驗。金屬鈉與水反應的實驗至今不少教材仍使用傳統的演示方法,即將小粒金屬鈉投入含有酚酞水溶液的燒杯中。其主要缺點是無法收集並點燃氫氣。用J形管做該實驗,可通過觀察液麵下降,推知有氫氣的生成,且生成的氣體不必利用收集裝置進行收集,可以直接通過旋轉活塞控制流量並點燃,點燃時氫氣能安靜地燃燒。從而達到探究金屬鈉和水反應生成氫氣的實驗目的。
除了金屬鈉和水反應,還可利用J形管做一系列固、液相反應制取氣體的實驗。如“銅絲與溫熱稀硝酸反應制NO氣體”等實驗(如圖1所示)。
還有“鋁與水反應制氫氣”實驗也可選用J形管來做,方法如下:
(1)取一條寬1 cm、長10 cm的鋁片,用砂紙打磨,繞成螺旋狀,放入1:2 HCl溶液中,約半分鐘,取出用水沖洗。
(2)將去除氧化膜後的鋁片,放入飽和Hg(N03)2溶液中,約2分鐘,表面呈灰色,取出用水沖洗乾淨。此時動作要迅速,不要將鋁片暴露於空氣中太久。
(3)將沖洗乾淨的汞齊化鋁片放入裝有飽和NaCl溶液的J形管的短管中,在短管埠處插上塗有凡士林的活塞,將活塞置於開啟狀態;從長管口處加入飽和 NaCl溶液,排盡活塞處的空氣,關閉活塞。一開始有細小的無色氣泡生成,大約3分鐘後,速度加快,此時有大量的氣泡逸出,長管中的水面上升,短管中液麵下降;同時,有灰色絮狀沉澱生成。該反應能發生的原理是:鋁片表面經汞齊化處理後就無法生成緻密的氧化膜,在氯離子催化劑幫助下水就容易和原本活潑的鋁發生置換反應了c
(4)產生的無色氣體約10 mL時,可開啟活塞,點燃,可見氣體燃燒,產生淡藍色的火焰。
2用J形管做電解飽和食鹽水實驗
電解飽和食鹽水實驗在現行教材中使用裝置如圖2所示。此套裝置操作簡便、各電極產物清晰明顯,但也有缺點,比如①此裝置由於在u形管兩側均存在支管,所以製取的氯氣中不可避免地混有空氣,不純淨;②此裝置只能對氯氣性質進行定性分析,無法確定生成氯氣的體積;③此裝置在進行氯氣的檢驗時處於比較開放的環境中,氣體外逸,會造成環境汙染。如果改用J形管進行電解實驗,上述問題都可以得到解決。
實驗步驟:(1)在J形管短管一端的橡皮塞底部裝好長度適中的碳棒(筆者採用兩端削好的鉛筆),作為電解池陽極。在J形管長管一端固定一根鐵絲作為陰極。
(2)短管口處塞好橡皮塞。從J形管長管口注入飽和食鹽水溶液,至橡皮塞的下端,不要留有氣泡,這是本實驗的關鍵。
(3)通直流電進行電解(電壓調至16~20 v)。此時可清晰地觀察到陽極液麵下降,併產生黃綠色的氯氣,再用注射器抽取所需體積的氯氣並再次利用(如圖3所示)。當液麵低於鉛筆末端,反應停止(如圖4所示)。實驗裝置及效果圖如下:
本實驗改進後的優點:
(1)製得的氯氣的'純度大大提高,幾乎沒有空氣參雜其中。
(2)黃綠色的氯氣現象明顯,利用觀察。
(3)用注射器進行抽取,可隨用隨取,且使本性質實驗從定性走向定量。
(4)反應中產生的氯氣被密封在J形管中,不會對環境造成汙染,符合綠色環保的理念。
3用J形管做簡易啟普發生器
中學化學中有很多氣體都是通過固、液相反應制取的。例如氫氣、二氧化碳、二氧化硫、氧氣、乙炔、硫化氫等。教材中多采用的發生裝置如圖5所示:通過分液漏斗控制液體的滴加速度,生成的氣體淨化後再進行收集。筆者經研究發現,將J形管改進後可獲得簡易啟普發生器(如圖6所示),該氣體發生裝置具有使用方便、節約試劑、無空氣混入、安全等多項優點。
使用時,在J形管短管內距短管口3至4 cm處小心放置一軟孔木塞,該軟木塞預先用刀削取約12 mm厚度、打幾個小孔並削成直徑略大於J型管的內徑,軟木塞有彈性,可借用鑷子慢慢將其推入管口內。木塞上放置固體,從長管一端緩慢注入液體,使液麵左高右低,且液體不與固體接觸。反應時開啟活塞,擠出短管一邊空氣,固、液接觸而反應,當製取氣體—定量時,關閉活塞,固、液很快脫離,反應停止,氣體儲存在短管一端,需要時再開啟活塞放出。
利用該簡易啟普發生器,能使反應“隨開隨用,隨關隨停”,可廣泛應用於教材中多種制氣實驗,即可完成系列的塊狀固體和液體反應制取氣體的實驗。例如漂白精片與酸制氯氣、電石與水制乙炔、大理石與酸反應制二氧化碳、銅和濃硫酸製取二氧化硫、銅和硝酸反應制取氮氧化物等等。
J形管在我國中學化學實驗中的應用不廣泛的主要原因可能是教師們不習慣、不熟悉,故對J形管的研究就更有價值了c希望上述個案的介紹能起到拋磚引玉的作用,也希望J形管在中學化學實驗的應用越來越廣泛。