高中化學(xué)實驗微型化\\綠色化的探索和實踐

微型化學(xué)實驗是20世紀80年代崛起、國際公認能體現(xiàn)綠色化學(xué)理念的一種化學(xué)實驗的新技術(shù)和新方法。它具有減少污染、現(xiàn)象明顯、快速、節(jié)約、安全等優(yōu)點，并以其良好的教學(xué)功能和教學(xué)效果，在化學(xué)實驗教學(xué)改革等領(lǐng)域扮演著重要的角色，引起世界各國化學(xué)界的高度重視。中學(xué)微型化學(xué)實驗是微型化學(xué)實驗的重要組成部分，更是當前中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革的熱點。

一、問題的提出

在新課標化學(xué)教材中實驗所占的比重很大，實驗過程中往往會產(chǎn)生、排放大量的有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)的排放給環(huán)境造成了危害。用綠色化學(xué)觀點改進中學(xué)化學(xué)實驗，是培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)思想又一重要的教育方法。同時，實驗又是綠色化學(xué)教育中不可缺少的組成部分。對中學(xué)化學(xué)實驗進行微型實驗，使其向無污染方向發(fā)展，這是當今中學(xué)化學(xué)實驗的發(fā)展方向。

二、研究目的與要求

1.研究新的綠色的化學(xué)實驗:根據(jù)化學(xué)教學(xué)需要，發(fā)現(xiàn)、設(shè)計或選擇沒有污染和安全的實驗取代那些污染嚴重或危險性大的實驗。

2.深入對微型化學(xué)實驗的研究:在能獲取所需化學(xué)實驗信息的前提下，采有“盡可能少劑量實驗”，以減少或消除實驗廢物。

其中，加強對無毒氣污染實驗的研究是綠色化學(xué)實驗研究的一個重點，因為，消除了有毒氣體的污染就是消除了基礎(chǔ)化學(xué)實驗中最大的污染源。我們在采用微型化學(xué)實驗進行“化學(xué)教育中的創(chuàng)新教育模式”實驗班的教學(xué)實踐中，對綠色化學(xué)實驗問題進行了初步的研究與實踐，營造了較為良好的課堂實驗教學(xué)環(huán)境。

三、微型化、綠色化實驗研究案例

案例一，銅與稀硝酸反應(yīng)制取一氧化氮

[存在的問題]銅與稀硝酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。銅與稀硝酸反應(yīng)，由于產(chǎn)生的無色一氧化氮很容易與空氣中的氧氣反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮，從而無法判斷出銅與稀硝酸到底是生成一氧化氮還是二氧化氮，實驗現(xiàn)象與理論反應(yīng)無法吻合，給教學(xué)工作帶來負面影響，而且氣體泄漏會污染空氣。

[改進措施]

1.把兩片銅片放進注射器內(nèi)，向注射器內(nèi)吸取少量水，再排凈，注射器內(nèi)無空氣。

2.向注射器內(nèi)吸取稀硝酸，迅速把注射器的針頭插入膠塞，使裝置與空氣隔絕，把注射器倒立，記錄稀硝酸的體積。

3.觀察注射器內(nèi)的現(xiàn)象并記錄稀硝酸的體積。反應(yīng)一段時間后，把無色氣體擠入密閉盛有空氣的小瓶內(nèi)，觀察小瓶內(nèi)氣體顏色的變化。

4.用注射器吸取小量的濃氫氧化鈉溶液于小瓶內(nèi)，并搖動小瓶。

[實驗評價]本實驗反應(yīng)在缺氧條件下進行，能觀察到NO的“廬山真面目”——無色氣體;實驗中沒有向空氣中排放有毒氣體，避免了空氣受到污染;器材簡單、操作方便、現(xiàn)象明顯。

案例二，實驗室制取氯氣及氯氣性質(zhì)實驗。

[存在的問題]氯氣是有毒氣體，泄漏到空氣中會污染大氣，影響身體健康。而且驗證氯氣性質(zhì)實驗較多，按照教材操作比較繁瑣，且不可避免造成氯氣泄漏。

[改進措施]實驗裝置如右圖:五條濾紙條(寬約為1cm，長不超過試管直徑)，紙條上分別滴有①品紅試液;②石蕊試液;③淀粉-KI試液;④Na2S溶液;⑤KBr溶液;⑥高錳酸鉀晶體;⑦吸有濃鹽酸的膠頭滴管。

實驗步驟:實驗時只須擠幾滴濃鹽酸即可發(fā)生變化:①褪色;②先變紅后褪色;③變藍;④出現(xiàn)淡黃色固體;⑤變?yōu)槌燃t色。

[實驗評價]裝置簡單、現(xiàn)象明顯、所需藥品少、無污染。

微型化學(xué)實驗不是普通實驗的簡單微縮，也不是對常規(guī)實驗的補充，它是在綠色化學(xué)思想的指導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新思想、新方法和新技術(shù)對常規(guī)實驗改革和發(fā)展的必然結(jié)果。

案例三，電解飽和食鹽水。

[存在的問題]反應(yīng)在U型管里進行，使得離子在兩極之間遷移距離過長，造成整個電路的電阻較大，電源功率損耗大，使陰、陽兩極產(chǎn)生的氣泡較少，很難收集到足夠的氫氣;用鐵棒作電極，電阻大，表現(xiàn)積太小，不利于氫氣的產(chǎn)生，也難收集到足夠的氫氣進行驗證實驗;尾氣沒有及時處理，不符合綠色環(huán)保的新理念。

[改進措施]將一塊濾紙裁成兩半，取一半平放在玻璃板上，用NaCl酚酞試液充分浸潤，分別用舊電池芯、鐵釘作陽、陰極，按如下圖方式輕輕將電極卷在其中，并接通電源。

通電2分鐘后，立即打開裹有碳棒的一端濾紙，滴入一滴碘化鉀——淀粉溶液，濾紙變藍，證明陽板有氯氣生成，再打開另一端，發(fā)現(xiàn)濾紙變紅，證明NaOH在陰極生成。

[實驗評價]藥品用量少，電極產(chǎn)物檢驗簡單，現(xiàn)象直觀，節(jié)省時間。實驗操作簡單，效果明顯，可用作教師演示實驗和學(xué)生實驗，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。

案例四，濃硫酸的脫水性實驗。

[存在的問題]人教版高一課本P134，在200ml燒杯中放入20g蔗糖，加入幾滴水，攪拌均勻。然后注入15ml的質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸，迅速攪拌。實驗過程中，由于蔗糖及濃硫酸用量的偏多，其炭化過程中伴隨碳的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫酸性氣體副產(chǎn)物的產(chǎn)生，帶來了嚴重的室內(nèi)污染問題，經(jīng)常使授課教師和學(xué)生處于嚴重的有害氣體環(huán)境之中。

[改進措施]取2g蔗糖(C12H22O11)放入大試管中，加入約5ml濃硫酸，迅速攪拌，然后塞上帶導(dǎo)管的橡皮塞，將玻璃導(dǎo)管的另一端插入盛有品紅溶液的試管中，觀察實驗現(xiàn)象。這樣用大試管代替小燒杯作為實驗儀器，實驗中蔗糖的用量由10g減少至2g，濃硫酸用量由原來的10～15ml，減少為5ml，甚至2～3ml。試

管代替了燒杯，雖然反應(yīng)物用量減少，但由于實驗儀器高度的增加，生成的碳塊兒沿著試管壁“長”高，反倒增強了實驗的演示效果，達到了實驗的預(yù)期目的。

[實驗評價]通過演示實驗選擇優(yōu)化，減少了實驗藥品的用量，大幅度減少了有害氣體的生成量，既達到了保護實驗者的目的，又滲透了綠色化學(xué)理念，強化了學(xué)生環(huán)境保護的意識。

四、小 結(jié)

微型化學(xué)實驗是在綠色化學(xué)理念下，在微型化的條件下對化學(xué)實驗的創(chuàng)新性變革，是21世紀的化學(xué)工作者所應(yīng)掌握的一種新技術(shù)、新方法;深刻領(lǐng)會到中學(xué)微型化學(xué)實驗在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、強化動手能力的訓(xùn)練、提高科學(xué)素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、樹立綠色化學(xué)觀念等方面的獨特功效，進一步明確開展中學(xué)微型化學(xué)實驗的現(xiàn)實意義、目標和方法，增強自己的使命感。

當然，微型化學(xué)實驗也有它的不足之處。例如，較忽視基本操作的規(guī)范性，較少考慮實驗中有關(guān)的安全因素等。因此，微型實驗雖然具有許多優(yōu)越性，但也并不是所有實驗都可用之代替的。在教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)實驗的內(nèi)容、目的、現(xiàn)象和定量要求等進行選擇，使常規(guī)實驗和微型實驗相結(jié)合，兩者取長補短，這樣可以發(fā)揮更好的教學(xué)效果。