有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置系列化設(shè)計(jì)

浙江 成潔瓊 郭田田 馬志成

有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置系列化設(shè)計(jì)

浙江 成潔瓊 郭田田 馬志成

高中階段，有毒氣體的制備與性質(zhì)是學(xué)生的必學(xué)內(nèi)容，但是由于其毒性，往往給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)困擾，本文從實(shí)驗(yàn)裝置系列化的角度出發(fā)，從三個(gè)角度：實(shí)驗(yàn)微型化角度、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置角度、整合實(shí)驗(yàn)裝置角度介紹了5種實(shí)驗(yàn)裝置系列化設(shè)計(jì)，為有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)提供了很好的思路。

實(shí)驗(yàn)系列化；實(shí)驗(yàn)微型化；簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置；整合實(shí)驗(yàn)裝置

高中階段化學(xué)學(xué)習(xí)中，有毒氣體主要有氯氣、二氧化硫、氨氣、二氧化氮、一氧化氮等等，它們的制取和性質(zhì)，都是要求學(xué)生掌握的，但是由于它們的毒性，在教學(xué)過(guò)程中多以教師演示為主。尤其是氯氣和二氧化硫，它們的性質(zhì)有很多，如果教師一個(gè)個(gè)演示，就會(huì)浪費(fèi)許多化學(xué)藥品和試劑，同時(shí)有毒氣體會(huì)泄漏在空氣中，造成空氣污染，影響教師和學(xué)生的身體健康。所以，使實(shí)驗(yàn)系列化，把若干個(gè)實(shí)驗(yàn)組合在同一密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，對(duì)尾氣進(jìn)行吸收處理，就是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)思路。

在設(shè)計(jì)系列化實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意幾點(diǎn)：首先，設(shè)計(jì)者應(yīng)該清楚反應(yīng)的原理，然后才能設(shè)計(jì)出合理有效的實(shí)驗(yàn)裝置；其次，要掌握好實(shí)驗(yàn)藥品的用量，因?yàn)橄盗袑?shí)驗(yàn)的目的就是以最少的用量達(dá)到最理想的現(xiàn)象，我們需要讓試劑達(dá)到最充分的利用；再次，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置盡量組合在同一個(gè)封閉系統(tǒng)中，以保證有毒氣體不會(huì)泄漏逃逸，并且可以與進(jìn)行性質(zhì)檢驗(yàn)的藥品充分接觸，獲得最佳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；最后，對(duì)于尾氣的吸收設(shè)計(jì)要合理，這樣才能培養(yǎng)學(xué)生良好的環(huán)境意識(shí)和綠色化思維。

本文從綠色思想出發(fā)，將有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)系列化，這樣，在教學(xué)過(guò)程中，不僅教師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，也可以設(shè)計(jì)成為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生全程參與，可以在較短的時(shí)間內(nèi)從整體掌握有毒氣體的制備和性質(zhì)，并且鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＯ旅娼榻B幾種實(shí)驗(yàn)裝置，僅供參考。

1 從微型化角度將實(shí)驗(yàn)系列化

將實(shí)驗(yàn)微型化是實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)綠色化的有效方法之一，這里，本人介紹兩種實(shí)驗(yàn)裝置以供參考。

1.1 用6孔井穴板和雙導(dǎo)氣管井穴塞做有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如【圖1.1】所示，以氯氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，在井穴板的孔穴 1、2、3、4、5、6中依次加入高錳酸鉀溶液、濕潤(rùn)有色試紙、紫色石蕊溶液、溴化鈉溶液、淀粉碘化鉀混合液、氫氧化鈉溶液。然后依次用雙導(dǎo)氣管井穴塞蓋上，1號(hào)的一個(gè)孔插上裝有濃鹽酸的10ml注射器。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，將注射器中的濃鹽酸注入1號(hào)孔中，不要拿走注射器，保證封閉系統(tǒng)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.2 用W形管進(jìn)行有毒氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

按照實(shí)驗(yàn)裝置【圖1.2】所示，把兩個(gè)W形管用膠管連接起來(lái)。同樣以氯氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，依次在2、3、4、5處加入幾滴高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、溴化鈉溶液、淀粉碘化鉀混合液，并在6處塞上浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉。然后用膠頭滴管吸取濃鹽酸，從1口處加入，注意要慢慢滴加，并且膠頭滴管不能離開(kāi)1管口，做成封閉系統(tǒng)。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1.1

圖1.2

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分別采用微型實(shí)驗(yàn)中常用的井穴板和W形管，試劑用量較少，而且均將有毒氣體（如氯氣）的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)合并在一個(gè)密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行多個(gè)問(wèn)題的探究。同時(shí)，由于其微型化的特點(diǎn)，教師還可以安排學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己動(dòng)手，仔細(xì)觀察。

2 從簡(jiǎn)化裝置的角度將實(shí)驗(yàn)系列化

有效的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)藥品和試劑，最小化的防止有毒氣體的逸出，同時(shí)，操作起來(lái)也比較方便，這里再舉兩例具體說(shuō)明。

2.1 巧用棉花使實(shí)驗(yàn)系列化

實(shí)驗(yàn)裝置如【圖2.1】所示，同樣以氯氣的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例，有所不同的是，本實(shí)驗(yàn)可以利用濃硫酸溶于鹽酸時(shí)放熱使?jié)恹}酸揮發(fā)制備氯化氫，氯化氫和高錳酸鉀反應(yīng)生成氯氣，其后可以進(jìn)行氯氣的一系列化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。圖中a處加入少量濃硫酸；b處加入 20ml濃鹽酸；1、2、3、4處的棉花分別：包有高錳酸鉀固體、蘸有紫色石蕊溶液、蘸有溴化鈉溶液、蘸有碘化鉀溶液，c處加入20ml氫氧化鈉，為尾氣吸收裝置。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)分液漏斗，緩慢滴加濃硫酸，觀察現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)完成了氯氣的制備、性質(zhì)和尾氣吸收，操作簡(jiǎn)單，多個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)完成。

2.2 巧用濾紙使實(shí)驗(yàn)系列化

實(shí)驗(yàn)裝置如【圖2.2】所示，以二氧化硫的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例。圖中選用40mm×200mm與18mm×180mm試管各一支，a、b、c分別為亞硫酸鈉、硫酸、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液；1、2、3分別為濕潤(rùn)的pH試紙、滴有品紅溶液的濾紙、滴有高錳酸鉀溶液的濾紙。實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先檢查裝置的氣密性，然后依次裝入藥品，組裝好儀器；之后打開(kāi)分液漏斗的活塞，使硫酸緩慢流下并與亞硫酸鈉粉末接觸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；最后將注射器中滴有酚酞的氫氧化鈉溶液推入大試管中，觀察現(xiàn)象。

圖2.1

圖2.2

本實(shí)驗(yàn)將氣體制備與氣體的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)整合在一個(gè)裝置中，可以有效地縮短實(shí)驗(yàn)演示時(shí)間，可以通過(guò)增加濾紙條、改變滴加試劑的方法進(jìn)行其他氣體性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。該裝置中制備的有毒氣體不會(huì)逸出，并能直觀地體現(xiàn)尾氣吸收的效果。

3 有效整合實(shí)驗(yàn)裝置，將實(shí)驗(yàn)系列化

將實(shí)驗(yàn)裝置有效整合起來(lái)，把所有的實(shí)驗(yàn)融合在一個(gè)密封系統(tǒng)中進(jìn)行也可以作為實(shí)驗(yàn)系列化的一個(gè)思路，下面以二氧化硫的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例介紹。

實(shí)驗(yàn)裝置如【圖3.1】所示，需要的實(shí)驗(yàn)儀器有：500ml扁形罐頭瓶（口徑6cm）、100ml燒杯、10ml燒杯、5ml燒杯（4個(gè)）、20ml注射器、7cm長(zhǎng)針頭、大針頭、鑷子。

圖3.1

首先制作實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)罐頭瓶的口徑選取大小合適的橡膠塞，用打孔器在塞子上打兩個(gè)孔。其中一個(gè)孔位于橡膠塞的中心位置，從橡膠塞的下部打，不打透（剩余3～4mm），以便注射器針頭可從其上方輕松扎入。在旁邊的位置打另一個(gè)孔，打透，安裝玻璃導(dǎo)管作為尾氣的排除通道。在塞子底部固定一枚大頭針，拴住一朵鮮花或有色布條。

然后取4g亞硫酸鈉放入10ml的燒杯中。分別取3ml酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫硫酸四種試劑分別置于4個(gè)5ml的小燒杯中。用鑷子將上述5個(gè)燒杯置于罐頭瓶底部，其中10ml燒杯置于瓶底的中心位置。按照?qǐng)D安裝好裝置。

用注射器吸取8ml稀硫酸，從塞子的中心孔扎入，向10ml的小燒杯中慢慢注入稀硫酸后拔出注射器。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用注射器吸取少量的氫氧化鈉溶液，傾斜注入罐頭瓶中（注意不要將其注入小燒杯中），輕輕振蕩。最后，取出裝有品紅溶液的小燒杯，用酒精燈加熱后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

本裝置比較適合教師的演示實(shí)驗(yàn)，用扁形罐頭瓶作為反應(yīng)容器，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性。所有的反應(yīng)都在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，能有效防止有毒氣體的逸散。

以上從三個(gè)方面，介紹了5種使實(shí)驗(yàn)系列化的方法。根據(jù)這幾個(gè)思路，我們可以開(kāi)發(fā)更多的系列實(shí)驗(yàn)，改善我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓實(shí)驗(yàn)不僅僅是教師演示，同時(shí)也可以是學(xué)生參與，并且實(shí)驗(yàn)改進(jìn)有助于幫助啟發(fā)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，開(kāi)拓學(xué)生思路，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行多個(gè)問(wèn)題的探究。

4 中學(xué)化學(xué)有毒實(shí)驗(yàn)綠色設(shè)計(jì)思考

4.1 科學(xué)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作，消除實(shí)驗(yàn)污染源

化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常常會(huì)伴隨有氣體、液體或固體產(chǎn)物的生成，而這些產(chǎn)物中許多是屬于有害或有毒的物質(zhì)，特別是有毒氣體不僅會(huì)直接影響到師生的健康，而且逸散到空氣中還會(huì)對(duì)大氣造成污染。例如：在利用實(shí)驗(yàn)研究金屬銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)時(shí)，若按照教材的實(shí)驗(yàn)操作，將會(huì)產(chǎn)生一定量的二氧化氮或一氧化氮?dú)怏w，危害師生身體健康并污染大氣環(huán)境。如果從綠色化學(xué)的角度出發(fā)，把此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，既可明顯地觀察到發(fā)生的現(xiàn)象，掌握銅與濃、稀硝酸反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，又能避免二氧氮或一氧化氮的逸出，消除對(duì)環(huán)境污染的危害，并通過(guò)教學(xué)逐步向?qū)W生滲透綠色化學(xué)的意識(shí)。

4.2 科學(xué)規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，增加尾氣吸收裝置

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，師生都要接觸有害物質(zhì)和無(wú)害物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)中也會(huì)聞到有害和無(wú)害氣體。因此，必須指導(dǎo)學(xué)生要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作的程序，有條不紊地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。正確地聞氣體、取藥品、取有毒性原料，甚至如何蓋瓶蓋、放置試劑、取藥品的各種工具的選用、取用藥品量的多少都要向?qū)W生交代清楚；改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)裝置。盡量采用封閉措施，減少師生被動(dòng)接受有毒有害氣體的污染。如在制取硫化氫、二氧化硫、氯氣、氯化氫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、一氧化碳等氣體時(shí)一定要通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)講清吸收的原因（有害氣體不允許直接排放到大氣中），強(qiáng)調(diào)尾氣吸收的重要性，使學(xué)生深深認(rèn)識(shí)到只要涉及氣體的制備問(wèn)題就應(yīng)考慮尾氣處理。

4.3 精心組裝整合實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)污染次數(shù)

組裝整合實(shí)驗(yàn)是指通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的操作，把幾個(gè)分散的實(shí)驗(yàn)組合成一個(gè)整體。連續(xù)做一個(gè)系列實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物成為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原料。這種教學(xué)方法不僅能滲透綠色化學(xué)教育的思想，而且還能較好的檢查學(xué)生的操作技能和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如，在講授氨氣的性質(zhì)和制法時(shí)，教師往往會(huì)利用噴泉實(shí)驗(yàn)說(shuō)明氨氣的溶解性及溶于水后溶液呈堿性的知識(shí)，然后再進(jìn)行氨氣的實(shí)驗(yàn)室制法的講授。這樣會(huì)多次制取氨氣，會(huì)使氨氣多次污染空氣。若將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)整合實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，然后進(jìn)行裝置的分析講解，既能達(dá)到講授知識(shí)的目的，又能很好的避免氨氣對(duì)環(huán)境的多次污染。

4.4 積極推行微型實(shí)驗(yàn)，有效控制環(huán)境污染

目前，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，藥品用量較多不僅造成浪費(fèi)，還會(huì)污染環(huán)境。因此，在實(shí)驗(yàn)中可用玻璃管制成各種可加熱儀器的替代實(shí)驗(yàn)儀器，用點(diǎn)滴板等進(jìn)行微型系列實(shí)驗(yàn)。這種方法藥品用量少、反應(yīng)產(chǎn)物少、操作安全，實(shí)驗(yàn)不會(huì)造成危險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境的污染程度較輕。同時(shí)也達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。如硝酸銀溶液和稀鹽酸的反應(yīng)，要求學(xué)生不用試管做實(shí)驗(yàn)，而是改用點(diǎn)滴板，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需取一滴稀鹽酸在孔穴處，在取一滴硝酸銀溶液滴在孔穴處，立即可見(jiàn)白色沉淀生成，然后取一滴稀硝酸滴入沉淀中，沉淀不溶解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易得出結(jié)論：稀鹽酸與硝酸銀反應(yīng)生成不溶于稀硝酸的白色沉淀。操作中不僅收到了良好的實(shí)驗(yàn)效果，而且把化學(xué)實(shí)驗(yàn)與環(huán)境教育有機(jī)結(jié)合、滲透，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)。

[1]陶秀梅,曾廣華.有毒氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2009,(8).

[2]彭實(shí),劉鴻.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化研究[M].北京:人民教育出版社,2010.

[3]馬志成.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綠色實(shí)踐[J].中學(xué)化學(xué)教與學(xué),2003,(11).

【注】項(xiàng)目來(lái)源：溫州大學(xué)2010年教師教育專(zhuān)題研究項(xiàng)目“基于教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展校本教研模式理論與實(shí)踐——高中化學(xué)學(xué)科為例”研究成果之一。

（作者單位：成潔瓊，郭田田，溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院在讀研究生，主要從事高中綠色化學(xué)與課程開(kāi)發(fā)研究；馬志成,溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師,主要從事綠色化學(xué)、化學(xué)科學(xué)課程教學(xué)論的教學(xué)與研究）

（編輯 劉麗娜）