微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的實(shí)踐

張金偉

所謂微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)80年代美國(guó)Dana W. Mayo博士首先提出的。它的核心就是使“實(shí)驗(yàn)藥品微量化，實(shí)驗(yàn)儀器微型化”。其特點(diǎn)是：降低藥品用量，化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的幾十分之一，甚至幾千分之一，但其效果仍可以準(zhǔn)確、明顯、安全并環(huán)保。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，在減少環(huán)境污染、節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的同時(shí)，還可使我們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，克服常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不足，獲得更準(zhǔn)確、更可靠的實(shí)驗(yàn)信息。因此，在開展微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有意識(shí)地進(jìn)行綠色化學(xué)教育，可以達(dá)到事半功倍的效果。

中學(xué)階段的實(shí)驗(yàn)主要有性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。定量實(shí)驗(yàn)一般利用常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行；其他的實(shí)驗(yàn)都可以改成微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)環(huán)境沒有太大的影響，而有的實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定的污染。對(duì)環(huán)境影響不大的實(shí)驗(yàn)可利用常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)環(huán)境影響大的實(shí)驗(yàn)，盡可能利用微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。如氯氣的制取和性質(zhì)、二氧化硫的制取和性質(zhì)、濃稀硝酸的性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)，對(duì)環(huán)境的污染較大，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。目前微型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要有以下三種途徑。

一、使用標(biāo)準(zhǔn)的微型實(shí)驗(yàn)儀器

目前，中國(guó)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中心已經(jīng)研制出標(biāo)準(zhǔn)的微型實(shí)驗(yàn)儀器，它是由塑料微型儀器和玻璃微型儀器結(jié)合組成。使用方便，快捷。在學(xué)習(xí)元素化合物性質(zhì)、一些有刺激性氣味和有毒物質(zhì)的制備時(shí)，可選用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，把集氣瓶、燒瓶、啟普發(fā)生器等微型化。

例如：H2S和SO2氣體的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，如圖1。

實(shí)驗(yàn)儀器：微型氣體發(fā)生器、V形側(cè)泡反應(yīng)管、側(cè)泡具支試管、尖嘴管、直形通氣管、直角形通氣管、止氣夾、微型酒精燈、膠頭滴管。

實(shí)驗(yàn)操作：以側(cè)泡具支試管作為制備氣體的微型發(fā)生器，在左邊氣體發(fā)生器中加入約0.5g硫化亞鐵，上方滴管吸入稀硫酸。在右邊氣體發(fā)生器中加入約2mL濃硫酸，在其管口插有一根銅條。在V形側(cè)泡反應(yīng)管的側(cè)泡處分別加入1～2滴紫色石蕊試液和品紅溶液，在V形處加入幾滴高錳酸鉀溶液。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：夾緊止氣夾，加熱裝濃硫酸的側(cè)泡具支試管，沸騰后把銅條插入酸液下，這時(shí)可以看到管中有SO2氣泡出現(xiàn)，且濃硫酸慢慢變藍(lán)色。觀察V形側(cè)泡反應(yīng)管中各處的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，紫色石蕊試液變紅色說明SO2溶于H2O生成亞硫酸，用酒精燈加熱該處溶液又變?yōu)樽仙f明亞硫酸不穩(wěn)定；品紅溶液褪色說明SO2具有漂白性，用酒精燈加熱該處褪色的品紅溶液紅色又復(fù)出現(xiàn)；高錳酸鉀溶液褪色說明SO2具有還原性易被氧化劑氧化。擠壓左邊的膠頭滴管使稀H2SO4加入側(cè)泡具支試管中，與硫化亞鐵接觸，即有H2S生成，打開止氣夾，使生成的H2S進(jìn)入微型氣體發(fā)生器中與SO2接觸，經(jīng)過反應(yīng)，在微型氣體發(fā)生器管壁上附著一層淡黃色的固體，這是反應(yīng)生成物單質(zhì)硫。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)：H2S和SO2氣體都是對(duì)環(huán)境造成污染的有毒氣體，使用標(biāo)準(zhǔn)化微型實(shí)驗(yàn)儀器組裝的實(shí)驗(yàn)裝置，試劑用量比常規(guī)實(shí)驗(yàn)節(jié)約70%左右，可以大大降低有毒氣體的排放，并且這套實(shí)驗(yàn)裝置將H2S和SO2兩種氣體的制備融合在一起，實(shí)驗(yàn)儀器組裝簡(jiǎn)便，安全性高，反應(yīng)時(shí)間短，可以在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生做更多的實(shí)驗(yàn)，獲取更多的知識(shí)。同樣這套裝置也適用乙烯的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

二、創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)

在沒有微型實(shí)驗(yàn)儀器的情況下，可利用一次性醫(yī)用器材或生活中的一些用品，經(jīng)過創(chuàng)新性設(shè)計(jì)后，組裝成實(shí)驗(yàn)裝置，效果也很好。例如用醫(yī)用小藥瓶和注射器設(shè)計(jì)的微型實(shí)驗(yàn)裝置來進(jìn)行氣體的制備和性質(zhì)檢驗(yàn)，或進(jìn)行一些綜合性實(shí)驗(yàn)，也都能取得較好的效果。

例如：利用微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行氯氣和SO2氣體的漂白性對(duì)比，如圖2。

實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象如下。

A瓶中：無水Na2SO3晶體。注射器：濃硫酸。制備SO2氣體的發(fā)生裝置。B瓶中：KClO3晶體。注射器：濃鹽酸。制備氯氣的發(fā)生裝置；C，D，E三個(gè)瓶中各裝一個(gè)浸水的有色布條。F，G兩個(gè)瓶中加入紫色石蕊試液。將注射器中的試劑加入藥瓶中產(chǎn)生氯氣和SO2氣體，觀察現(xiàn)象。氯氣經(jīng)過的D瓶中布條最先褪色，SO2氣體經(jīng)過的E瓶中布條稍后褪色，說明氯氣和SO2氣體都具有漂白性，而C瓶中的紅色布條褪色不明顯，說明氯氣和SO2氣體混合與水反應(yīng)后生成硫酸和鹽酸，失去了漂白性。氯氣經(jīng)過的F瓶中的紫色石蕊試液先變紅后褪色，說明氯氣溶于水生成顯酸性物質(zhì)，且產(chǎn)生的次氯酸具有強(qiáng)漂白性使石蕊褪色；SO2氣體經(jīng)過的G瓶的紫色石蕊試液只變紅不褪色，說明SO2的漂白性具有選擇性，它能和某些有色物質(zhì)結(jié)合生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)：這套實(shí)驗(yàn)裝置將氯氣和SO2的制備進(jìn)行微型化處理，使得操作簡(jiǎn)便，且對(duì)環(huán)境的污染減小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能夠?qū)β葰夂蚐O2的漂白原理進(jìn)行準(zhǔn)確的說明。

三、設(shè)計(jì)“點(diǎn)滴化”實(shí)驗(yàn)

在傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了在一套實(shí)驗(yàn)裝置中驗(yàn)證一種物質(zhì)的多種化學(xué)性質(zhì)，往往采用多個(gè)試管并列的實(shí)驗(yàn)方法。組裝儀器所需時(shí)間較長(zhǎng)，試劑加入量較大，前后實(shí)驗(yàn)可能互有影響。如果利用微型實(shí)驗(yàn)方法，按照事先設(shè)計(jì)好的方案，置A、B、C、D等于點(diǎn)滴板或表面皿上，然后按順序滴加另一種試劑，使反應(yīng)體系陣列化，就會(huì)同時(shí)觀察到所有的變化，適時(shí)地進(jìn)行比較、分析和歸納，其情景將和傳統(tǒng)方法完全不同。

例如：將探究氯氣化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成“點(diǎn)滴化”微型實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。使用到的儀器有：直徑為6cm的培養(yǎng)皿；直徑為9cm的培養(yǎng)皿（作蓋子），滴管。

實(shí)驗(yàn)步驟：將小培養(yǎng)皿放在白紙上，在培養(yǎng)皿的不同位置分別滴加濃度為0.1mol·L-1的Na2SO3（含BaCl2）溶液、KI（含淀粉溶液）、NaOH（含酚酞）溶液、FeSO4（含KSCN）溶液、橙汁各1滴，每種液滴彼此分開，圍成半徑小于培養(yǎng)皿的圓形（如圖3所示），在圓心處放置2粒KClO3晶體，向KClO3晶體滴加一滴濃鹽酸，立即將作蓋子的大培養(yǎng)皿蓋好，觀察現(xiàn)象。endprint

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：觀察氯酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生黃綠色氣體氯氣；亞硫酸鈉被氯氣氧化成硫酸鈉，遇氯化鋇產(chǎn)生白色沉淀；氯氣將碘離子氧化成碘單質(zhì)使淀粉變藍(lán)色；氫氧化鈉酚酞溶液的紅色逐漸褪去；硫酸亞鐵被氧化成硫酸鐵遇硫氰化鉀顯紅色；氯氣溶解到橙汁溶液中產(chǎn)生次氯酸的漂白性使橙汁變?yōu)闊o色。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)：使用這套微型實(shí)驗(yàn)裝置研究氯氣的化學(xué)性質(zhì)，效果相當(dāng)好，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是氯氣自發(fā)彌散取代了將反應(yīng)物混合，現(xiàn)象快速明顯，立即就能觀察到反應(yīng)現(xiàn)象，中學(xué)生很容易就能掌握這組實(shí)驗(yàn)的操作過程和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且藥品用量少，大大降低了氯氣對(duì)實(shí)驗(yàn)室的污染程度。此外，該實(shí)驗(yàn)所用儀器均為透明的玻璃儀器，因此，教師也可以用投影來做演示，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的效果。

四、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

通過以上微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，可以總結(jié)出微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的以下特點(diǎn)。

（一）微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念

綠色化學(xué)的目標(biāo)是研究和尋找能充分利用的無毒害原材料，最大限度地節(jié)約能源，在各環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)凈化和無污染反應(yīng)途徑。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與綠色化學(xué)聯(lián)系最為直接，化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化是社會(huì)發(fā)展的需要，也是學(xué)生身心健康發(fā)展的需要，因此，為了實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的理念，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行改革創(chuàng)新。發(fā)展微型化實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)儀器微型化，實(shí)驗(yàn)藥品微量化，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比較，大大減少了有毒有害物質(zhì)的排放，降低了環(huán)境污染，但實(shí)驗(yàn)效果仍可以準(zhǔn)確、明顯、安全并且環(huán)保。

（二）微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)有利于提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新精神

在一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及的化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品或生成的化學(xué)物質(zhì)具有一定的毒害性，有些學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中會(huì)心存畏懼，害怕傷害到自己而不敢動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，這種情況影響了他們對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性。在教學(xué)中引入微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠很好地解決上述問題，實(shí)驗(yàn)裝置的微型化，會(huì)降低膽小學(xué)生的畏懼心理，增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，有利于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。一些巧妙的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，刺激了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，開闊了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新精神。

（三）微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)提高了課堂教學(xué)的效率

實(shí)驗(yàn)儀器微型化節(jié)省了組裝實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)藥品微量化使化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間也大大縮短，這樣在課堂上留下更多的時(shí)間供師生反思、交流，更利于學(xué)生思維的開闊和發(fā)展，提高課堂教學(xué)的效率。

在新課程理念的引領(lǐng)下，創(chuàng)新性微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，一方面體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，以較少的試劑完成實(shí)驗(yàn)，最大限度地降低了對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)了實(shí)驗(yàn)者的健康；另一方面微型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)取創(chuàng)新精神有機(jī)地結(jié)合起來，大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，在實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)生學(xué)會(huì)改進(jìn)，學(xué)會(huì)創(chuàng)新，從而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新的精神和能力?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)以其豐富的內(nèi)涵在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮著獨(dú)特的功能和作用，在教育、教學(xué)中占據(jù)著非常重要的地位，重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，樹立科學(xué)的人生觀，全面提高教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。endprint