綠色化學(xué)理念下氨氣、二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

關(guān)　寧　張麗霞

（1廣西柳州市第四十中學(xué)　廣西柳州　545002；2廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院　廣西南寧　530001)

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綠色化學(xué)理念下氨氣、二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

關(guān)寧1張麗霞2

（1廣西柳州市第四十中學(xué)廣西柳州545002；2廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院廣西南寧530001)

摘要：對中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的兩個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，一是利用廢舊的塑料瓶作反應(yīng)容器，巧妙地將氨氣的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起；二是用微型儀器對二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡單、現(xiàn)象明顯，既能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，又能提高課堂教學(xué)效率，同時(shí)又能對學(xué)生進(jìn)行綠色化學(xué)的教育。

關(guān)鍵詞：綠色化學(xué)；微型儀器；氨氣；二氧化硫

綠色化學(xué)是近年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)等。綠色化學(xué)的目標(biāo)在于不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物，最終實(shí)現(xiàn)零排放和零污染，是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)。世界各國都十分重視綠色化學(xué)的教育和發(fā)展，綠色化學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代化學(xué)教育的主要發(fā)展方向［1-2］。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科知識的重要途徑，是學(xué)生可以通過感官直接感知的實(shí)踐過程，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，能進(jìn)一步領(lǐng)悟綠色化學(xué)的宗旨，并逐步培養(yǎng)綠色化學(xué)的意識。但是中學(xué)化學(xué)教科書對化學(xué)藥品用量沒有明確規(guī)定，有的表述比較模糊。在做分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，有相當(dāng)一部分學(xué)生取用藥品喜歡“多多益善”，不僅浪費(fèi)了藥品，而且由化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等也會對周圍環(huán)境造成不同程度的污染。如：在做Cl2制備與性質(zhì)、鹵素的性質(zhì)、Cu和濃H2SO4反應(yīng)等學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往會有有毒氣體進(jìn)入空氣中，不僅污染空氣，而且直接影響師生健康。因此，在中學(xué)實(shí)施綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教育，無論從中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，還是從生活環(huán)境的責(zé)任感與綠色化學(xué)理念的形成等方面，都是十分必要的。

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化、微型化［3-6］就是在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心理念為指導(dǎo)，對常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不合理、安全性能低、污染嚴(yán)重等方面加以改進(jìn)，達(dá)到綠色化學(xué)的減量、回收、重復(fù)使用、盡可能密閉可控、處理尾氣諸方面的要求，實(shí)現(xiàn)“盡可能小劑量、省資源、少污染、低成本”的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生良好的化學(xué)素養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的研究，涉及到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、實(shí)驗(yàn)儀器的研制、化學(xué)反應(yīng)過程、實(shí)驗(yàn)裝置和步驟的設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)方面的研究。如何在實(shí)際教學(xué)中，結(jié)合當(dāng)前素質(zhì)教育，把綠色化學(xué)綠色新概念、新思想、新要求教育貫穿于中學(xué)化學(xué)教學(xué)的全過程之中，是一個新的研究課題。作為中學(xué)化學(xué)老師，能夠就地取材，因繁就簡，開發(fā)和創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)［7］，對中學(xué)生是最好的鼓勵和引領(lǐng)。

一、現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足之處

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，有很多性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)效果并不明顯且缺乏綠色化學(xué)意識，例如：人教版《必修1》將氨氣性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)分成氨氣與水的噴泉實(shí)驗(yàn)、氨氣與酸的玻璃棒實(shí)驗(yàn)兩個部分來進(jìn)行的。但在實(shí)際操作中存在以下不足：

①噴泉實(shí)驗(yàn)所用的氨氣采用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室制法，若現(xiàn)場收集，則耗時(shí)長，且氨氣易泄漏而造成污染；若課前制好備用，則常因保存不善導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

②NH3與濃鹽酸的玻璃棒實(shí)驗(yàn)，若為教師演示，則白煙過淡，且保留時(shí)間不長，不便于學(xué)生觀察；若為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，又會因?yàn)椴皇窃诿荛]條件下進(jìn)行，眾多學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)，容易造成室內(nèi)空氣被污染，不利于健康。

③學(xué)生對看到的是“煙”還是“霧”存在疑問。

④容易受到風(fēng)等因素的干擾，影響實(shí)驗(yàn)效果。

又如：二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在高中化學(xué)人教版《必修1》第四章第三節(jié)，是高中化學(xué)課程中非常重要的實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容多，難記憶。如果學(xué)生沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的親身體會，對這些實(shí)驗(yàn)的印象都不深，學(xué)習(xí)也比較困難。但是該實(shí)驗(yàn)無論是老師演示還是讓學(xué)生自己動手做，儀器都比較復(fù)雜，藥品用量多，而且二氧化硫的氣味難聞，具有刺激性，對身體和環(huán)境都會造成不良影響。

二、基于主流化學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

基于“環(huán)保、高效”以及“綠色化學(xué)”“安全化學(xué)”等理念，本文針對上述實(shí)驗(yàn)中存在的不足，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

1.基于“環(huán)保、高效”理念的氨氣性質(zhì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

將NH3的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一次性完成、成功率高且不污染環(huán)境、實(shí)驗(yàn)器材廉價(jià)易得，不易破碎、便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)等是本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目的。

（1）實(shí)驗(yàn)用品

①器材：圓底燒瓶（250mL）或塑料洗手液瓶（250mL），分液漏斗（50mL），三個透明軟塑料瓶（如礦泉水瓶，250mL，需干燥），玻璃導(dǎo)管，燒杯，止水夾，少量棉花等。

②藥品：氫氧化鈉固體（分析純），濃氨水，少量濃鹽酸，酚酞指示劑。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1　氨氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置圖

（3）操作步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

①瓶A內(nèi)放少量NaOH固體，分液漏斗中裝濃氨水；

②瓶B、瓶C均為滴有酚酞的水；

③瓶D放置一團(tuán)滴有濃鹽酸的棉花。

組裝連接好裝置后，打開止水夾K1、K3，關(guān)閉K2，旋開分液漏斗活塞，制取氨氣；當(dāng)看到D中出現(xiàn)大量白煙，C中溶液顏色很紅且產(chǎn)生氣泡緩慢后，關(guān)閉K1、K3，打開K2，擠壓瓶B，將水?dāng)D入燒瓶內(nèi)后松手。即可看到燒瓶內(nèi)形成美麗的噴泉，同時(shí)瓶B變扁。

通過這樣的改進(jìn)后，我們能看到，噴泉實(shí)驗(yàn)中，水幾乎充滿整個燒瓶，瓶B被壓扁，讓學(xué)生很容易看到壓強(qiáng)在此實(shí)驗(yàn)中的作用；瓶D的瓶壁上有大量的白色固體物附著，讓學(xué)生對白煙有了直觀的認(rèn)識。

（4）本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

①有理有據(jù)：噴泉實(shí)驗(yàn)的原理是利用內(nèi)外壓強(qiáng)差所形成的，而礦泉水瓶受壓很容易變形，會看到很明顯的現(xiàn)象，于是我們用廢棄的礦泉水瓶組裝了實(shí)驗(yàn)裝置。

②取材方便：充分利用廢棄的礦泉水瓶，材料易得且不易破碎的特點(diǎn)，體現(xiàn)廢物利用，靈活處理問題的思想。

③敢于創(chuàng)新：礦泉水瓶蓋容易打孔，且可用粘膠粘住縫隙，實(shí)驗(yàn)過程中，只要旋緊瓶蓋氣密性就會很好，避免不易在橡膠塞上打孔，且易漏氣等常見問題。

④重視環(huán)保：整個實(shí)驗(yàn)在密閉條件下進(jìn)行，避免了NH3、HCl向室內(nèi)擴(kuò)散，有較高的安全性，充分體現(xiàn)“綠色化學(xué)”。

⑤拆裝方便：關(guān)鍵部分的連接使用膠管、止水夾，拆裝方便，導(dǎo)管不易折斷；且礦泉水瓶的蓋子規(guī)格幾乎都是統(tǒng)一的，便于更換。

⑥操作簡單：無論是教師做還是學(xué)生來完成，都很容易操作，且成功率高。

⑦直觀性強(qiáng)：無論是燒瓶內(nèi)形成的噴泉，瓶B的變扁，還是瓶D中的大量白煙，抑或是燒杯中的溶液變紅，現(xiàn)象均十分明顯，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察對氨氣的性質(zhì)有較強(qiáng)的感性認(rèn)識；特別是壓扁的礦泉水瓶能讓學(xué)生深切感受到大氣壓的存在和氨氣的極好的水溶性。

⑧安全性高：實(shí)驗(yàn)的主要材料為礦泉水瓶，即使實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤操作，也不用擔(dān)心出現(xiàn)炸裂，濺傷人。

⑨高效性：整個實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約2分鐘，為噴泉實(shí)驗(yàn)的分析和拓展延伸騰出了更多的時(shí)間。

我們對氨氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，無論是教師做還是學(xué)生來完成，都很容易操作，且成功率高充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性，初步落實(shí)了“用實(shí)驗(yàn)讓化學(xué)課堂成為學(xué)生快樂的體驗(yàn)場”。

2.基于“綠色化學(xué)、安全化學(xué)”理念的SO2制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

在對二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，我們采用微型實(shí)驗(yàn)儀器來完成這一系列實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)：用6孔井穴板代替了6個反應(yīng)器，塑料滴管代替了分液漏斗。

（2）實(shí)驗(yàn)操作步驟：

①先檢查氣密性。在后5個井穴中裝入少量水，蓋好長進(jìn)短出的導(dǎo)管塞，在第1個井穴的長導(dǎo)管上插入塑料滴管，擠壓滴管，各井穴中均有氣泡冒出，說明氣密性良好。然后把水倒掉。

圖2　二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微型儀器裝置圖

②滴管裝濃硫酸，6個井穴分別按照表1加入所需藥品。6個井穴在整個實(shí)驗(yàn)中的作用如表1描述。

表1　井穴中加入的藥品及其作用

③蓋好長進(jìn)短出的塞子，吸1/5滴管的濃硫酸，插入第1個井穴的長導(dǎo)管上，輕輕擠壓滴管，反應(yīng)發(fā)生了。我們可以很快看到石蕊變紅，品紅和高錳酸鉀褪色，硫化鈉溶液中有黃色的渾濁，一次性驗(yàn)證了二氧化硫的幾種性質(zhì)。

3.實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

①使用了微型實(shí)驗(yàn)儀器，藥品用量很小，從源頭上防止了化學(xué)實(shí)驗(yàn)造成的污染，所以二氧化硫幾乎沒有造成污染，真正達(dá)到綠色、環(huán)保、健康。

②微型實(shí)驗(yàn)儀器成本低，體積小，操作方便，一次性把SO2的制取、酸性、漂白性、還原性、氧化性全部檢驗(yàn)完，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡單。

③按每小組幾人一套，甚至可以一人一套，可以實(shí)現(xiàn)“人人動手，邊講邊實(shí)驗(yàn)”的理想化教學(xué)模式，可以使學(xué)生對化學(xué)的探究更有興趣。

我們對二氧化硫的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，從源頭上解決了污染的問題，不用到實(shí)驗(yàn)室這樣有通風(fēng)設(shè)備的地方，就在課堂上就可以實(shí)現(xiàn)，操作簡單，成功率高，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性，可以讓學(xué)生對以前只能在習(xí)題或者課本上看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了直觀的認(rèn)識，印象深刻。

三、總結(jié)

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)將理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要手段，實(shí)驗(yàn)易操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性及嚴(yán)密性、實(shí)驗(yàn)的環(huán)保理念等對中學(xué)生正確理解和掌握知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和科研素養(yǎng)、掌握實(shí)驗(yàn)操作、拓展思維模式等有著極其重要的作用?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化創(chuàng)新和改進(jìn)，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動性，培養(yǎng)其對化學(xué)的興趣，并加深對知識的理解和記憶，可以為提高課堂教學(xué)高效性提供策略和典型范例，這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)綠色化教學(xué)，讓學(xué)生順理成章接受綠色化學(xué)理念，使學(xué)生認(rèn)識到，化學(xué)絕不意味著污染，更高層次的化學(xué)、對環(huán)境友好的綠色化學(xué)等待我們?nèi)W(xué)習(xí)、去探究、去發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］閔恩澤，傅軍.綠色化學(xué)的進(jìn)展［J］.化學(xué)通報(bào)，1999，（1)：10-15

［2］朱文祥.綠色化學(xué)與綠色化學(xué)教育［J］.化學(xué)教育，2001，22 （1)：1-4

［3］王磊.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)研究［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2009：280-289

［4］朱恩.淺談中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的三個問題［J］.化學(xué)教學(xué)，2002，（4)

［5］王祖浩，王程杰.中學(xué)化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)［M］.南寧：廣西教育出版社，2007：298-299

［6］趙東洋.氨氣制備和性質(zhì)的微型組合實(shí)驗(yàn)［J］.化學(xué)教育，2009，30（6)：58-59

［7］王云生.創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)六法［J］.化學(xué)教育，2005，26（4)：51-52

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.036

文章編號：1008-0546（2016）04-0094-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B