有毒氣體制備及性質(zhì)探究?jī)x的設(shè)計(jì)與制作

蔣勝芝

“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，是化學(xué)學(xué)科的基本特征之一。”[1]作為一名一線(xiàn)化學(xué)教師，深知實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中給學(xué)生帶來(lái)的深遠(yuǎn)意義。一個(gè)富有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)，可以引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的探究興趣和對(duì)科學(xué)的憧憬，進(jìn)而在內(nèi)心深處埋下探究科學(xué)的種子。多年來(lái)，筆者在化學(xué)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)及創(chuàng)新整合，使其更利于操作和探究。

人教版九年級(jí)化學(xué)教材上冊(cè)第二單元課題二《氧氣》一節(jié)中，氧氣具有氧化性，是通過(guò)氧氣能與多種物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)來(lái)說(shuō)明的。其中就有“硫在空氣及氧氣中燃燒”的實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)操作方法是：先在燃燒匙里放少量的硫粉，然后將燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱，直到燃燒匙內(nèi)的硫粉發(fā)生燃燒，觀察硫在空氣中燃燒的現(xiàn)象。再把盛有燃燒著的硫粉的燃燒匙緩慢伸入充滿(mǎn)氧氣的集氣瓶里(氧氣瓶?jī)?nèi)有少量的水，其作用是吸收生成的SO2和及時(shí)熄滅燃燒著的硫粉)，進(jìn)一步觀察硫在氧氣中燃燒的現(xiàn)象(如圖1所示)。

圖1

一、問(wèn)題的提出

1.SO2是一種無(wú)色、有刺激性氣味的有毒氣體?？諝庵蠸O2的濃度僅為1 ppm時(shí)，就會(huì)使人有胸部被壓迫的不適感；當(dāng)濃度達(dá)到8 ppm時(shí)，人就會(huì)感到呼吸困難。SO2的危害還在于它常常跟大氣中的飄塵結(jié)合在一起，進(jìn)入人的肺部。按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作方法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生成的SO2對(duì)實(shí)驗(yàn)者和學(xué)生有直接危害。

2.即使該實(shí)驗(yàn)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，也只是將生成的SO2排入大氣中，仍然存在污染問(wèn)題，還會(huì)影響學(xué)生的觀察。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瓶底少量的水僅能吸收很少的SO2，致使較多的SO2逸散到空氣中，對(duì)環(huán)境造成污染。

基于以上問(wèn)題，筆者多年來(lái)一直在探索既能順利完成實(shí)驗(yàn)又不造成空氣污染的方法。經(jīng)過(guò)一次次的實(shí)驗(yàn)、一次次的改進(jìn)，終于制作出了有毒氣體制備及性質(zhì)探究?jī)x。

二、儀器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.儀器結(jié)構(gòu)

圖2

如圖2所示：

1是儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)有氧氣，由閥門(mén)控制氧氣的進(jìn)入，以便觀察硫粉在氧氣中燃燒的現(xiàn)象。

2是皮老虎，可以通過(guò)它鼓入空氣。

3是硫粉燃燒的發(fā)生裝置。這也是該探究?jī)x的亮點(diǎn)之一，注射器下端固定電熱絲，可以升降，當(dāng)接通電源將硫粉引燃后，可以提起，防止電熱絲被氧化；鼓入的空氣或氧氣由導(dǎo)管進(jìn)入裝置內(nèi)的聚氣器，使氣體在聚氣器內(nèi)向外溢，為燃燒匙內(nèi)硫粉的充分燃燒提供條件。當(dāng)皮老虎鼓入空氣時(shí)，可以觀察硫粉在空氣中燃燒的現(xiàn)象，當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的氧氣進(jìn)入時(shí)，可以觀察硫粉在氧氣中燃燒的現(xiàn)象。整個(gè)發(fā)生裝置是密閉的。

4是盛有濃氫氧化鈉溶液的一級(jí)吸收裝置，發(fā)生裝置中生成的SO2在這里被濃氫氧化鈉溶液吸收。

5是二級(jí)吸收裝置，將4中未吸收完的SO2再次吸收。

6是兩用氣筒，可以與皮老虎配合使用(皮老虎為首端加壓，兩用氣筒為末端減壓)作為裝置中氣體流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。

7是氣囊，兩用氣筒抽出的氣體中可能會(huì)有少量SO2，可用其收集。

如果增加圖3裝置，還可進(jìn)行酸雨危害的模擬實(shí)驗(yàn)、SO2漂白作用的實(shí)驗(yàn)。將該裝置放于裝置3，4之間，裝置3中生成的SO2進(jìn)入圖3的裝置中將鮮花漂白，驗(yàn)證了SO2的漂白作用，同時(shí)也證明了酸雨對(duì)植物的危害。

圖3

2.儀器特點(diǎn)

(1)該探究?jī)x使用方便，反應(yīng)可以隨時(shí)發(fā)生、隨時(shí)停止，節(jié)約高效，減少污染。

(2)現(xiàn)象明顯，可觀性強(qiáng)。

(3)使用范圍廣：初中化學(xué)硫在空氣及氧氣中的燃燒、SO2的漂白作用、酸雨危害的模擬實(shí)驗(yàn)；高中化學(xué)NO2的制備及性質(zhì)探究。

(4)符合化學(xué)儀器管道化、綠色化、人文化的特點(diǎn)。

三、制作方法

(1)做一個(gè)能盛下3～ 4個(gè)500 mL廣口瓶的底座。

(2)準(zhǔn)備3～4個(gè)500 mL的廣口瓶，每個(gè)廣口瓶配10號(hào)的橡膠塞。第一個(gè)膠塞打6個(gè)孔，配一廣口瓶作為氣體制備裝置1；第二個(gè)膠塞打3個(gè)孔，與另一個(gè)廣口瓶作為性質(zhì)驗(yàn)證裝置2；第三、第四個(gè)膠塞為兩孔，與另外2個(gè)廣口瓶作為一、二級(jí)吸收裝置3和裝置4。

(3)將3～4個(gè)廣口瓶用橡膠管連在一起，并在每處備有止水夾，組成有毒氣體制備及性質(zhì)探究?jī)x。

(4)輔助設(shè)備：儲(chǔ)氣罐、兩用氣筒、尾氣袋、注射器等。

四、使用方法

(1)準(zhǔn)備：在裝置1中放入適量硫粉；在性質(zhì)驗(yàn)證裝置2中放入一朵鮮花；在裝置3、裝置4中加入適量的濃氫氧化鈉溶液，用橡膠管將儲(chǔ)氣罐以及裝置1，2，3，4連接；備好兩用氣筒和氣袋；調(diào)節(jié)好調(diào)壓器(電壓小于30 V)。

(2)實(shí)驗(yàn)：接通電源，加熱電熱絲，將燃燒匙中的硫粉引燃(在密閉容器中將硫粉引燃，避免SO2向空氣中逸散)，然后將電熱絲提起并切斷電源(防止電熱絲被氧化)。輕輕地鼓入適量的空氣，觀察硫在空氣中燃燒的現(xiàn)象。然后關(guān)閉皮老虎，打開(kāi)氧氣儲(chǔ)氣罐的活塞，鼓入氧氣，這時(shí)可看到硫在氧氣中燃燒，產(chǎn)生明亮的藍(lán)紫色火焰。

(3)對(duì)比實(shí)驗(yàn)做完后關(guān)閉儲(chǔ)氣罐的閥門(mén)，再用皮老虎鼓入空氣，同時(shí)用兩用氣筒在末端抽氣，直到裝置2內(nèi)的SO2很少為止。

(4)還可以在裝置3和裝置4之間增加若干裝置，驗(yàn)證酸雨對(duì)金屬的腐蝕、酸雨對(duì)大理石建筑的危害等。

五、優(yōu)點(diǎn)

(1)整個(gè)硫的燃燒過(guò)程、SO2性質(zhì)的驗(yàn)證過(guò)程、SO2的被吸收過(guò)程，都在密閉裝置中進(jìn)行，符合化學(xué)自制教具的管道化、封閉化的走向特點(diǎn)。

(2)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、安全可行，可隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生和停止。

(3)材料簡(jiǎn)單、成本低，所用儀器規(guī)范，符合儀器化的特點(diǎn)。

(4)該探究?jī)x知識(shí)容量大，探究功能齊全，氣體發(fā)生裝置還可用于空氣中氧氣含量的測(cè)定、質(zhì)量守恒定律、燃燒條件的探究等實(shí)驗(yàn)。

六、拓展

該探究?jī)x可供初中、高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。初中化學(xué)中“硫的燃燒”實(shí)驗(yàn)、“分子運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)以及高中化學(xué)中“NO2，H2S氣體的制備”等實(shí)驗(yàn)。

著名的教育家蘇霍姆林斯基說(shuō)過(guò)：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望感到自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者。而在兒童的精神世界中，這種需要特別強(qiáng)烈。”一個(gè)人如果有了積極的科學(xué)情感和旺盛的探究熱情，他的能力就會(huì)提高得很快，知識(shí)面會(huì)很快拓寬與深化[2]。如果能在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中滲透一種思想：科學(xué)探究永無(wú)止境，科學(xué)的路上要鍥而不舍，并通過(guò)各種方式將學(xué)生心靈深處的那種希望挖掘出來(lái)，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使科學(xué)探究的種子在他們的內(nèi)心深處生根、發(fā)芽。

[1]義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)解讀[M].北京:高等教育出版社,2012.

[2]鐘啟泉.課程的邏輯[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2008.