選修課中微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探索和實(shí)踐

藍(lán)永紅

選修課中微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有儀器容量小、藥品用量少、操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)過(guò)程快、現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)成功率高、節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間、安全性高、操作性強(qiáng)、污染低或無(wú)污染、趣味性高等優(yōu)點(diǎn)。有利于實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)設(shè)，提高學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。采用微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)微型化、趣味性、節(jié)能化、環(huán)?；蛣?chuàng)造性融為一體，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的環(huán)保意識(shí)、資源意識(shí)、安全意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)。注射器是一種普通的醫(yī)療器械，但它在化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和習(xí)題中出現(xiàn)得越來(lái)越多，如2008年上海高考化學(xué)試題的26題就是利用注射器來(lái)考查實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力。我在平時(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，巧用注射器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)方面做了一些嘗試和整理，和各位同仁一起探討和研究。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.氨氣噴泉的微型實(shí)驗(yàn)

（1）設(shè)計(jì)意圖

氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)的重要演示實(shí)驗(yàn)，教材中實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。該實(shí)驗(yàn)操作要求老師課前預(yù)先收集好氨氣，到時(shí)課堂再做演示，由于氨氣易擴(kuò)散，如果當(dāng)時(shí)制取氨氣教室通風(fēng)不好，容易泄露氨氣，造成污染，如果將實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成將氨氣的制備和氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起的二合一微型實(shí)驗(yàn)裝置，操作簡(jiǎn)單，成功率100%，也非常適合于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①裝置中所用的儀器是醫(yī)用一次性注射器，在去掉活塞的注射器針筒中注入生石灰，用另一注射器吸入濃氨水，將注射器內(nèi)的濃氨水注入針筒內(nèi)，濃氨水遇生石灰迅速產(chǎn)生氨氣，將上部注射器活塞上推。

②用注射器吸入一定量酚酞試液，將注射器針頭刺入含有大量氨氣的針筒內(nèi)，盡可能將針頭全部插入注射器，再輕推注射器活塞，將少量酚酞試液注入注射器針筒內(nèi)，針筒內(nèi)很快就形成紅色噴泉。

③該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，針筒不需干燥，適合學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)使用。

2.空氣中氧氣含量的測(cè)定

（1）設(shè)計(jì)意圖

空氣是學(xué)生從化學(xué)角度認(rèn)識(shí)的第一種物質(zhì)，了解空氣的成分并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)是《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的重要內(nèi)容之一，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和探究身邊的化學(xué)物質(zhì)，了解化學(xué)變化的奧秘，激發(fā)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，是初中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。按照人教社初中化學(xué)課本上的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定空氣中O2含量時(shí)，如圖，存在以下問(wèn)題：容器較大，容積5等分存在一定誤差；所需紅磷較多；水位上升位置誤差較大。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，減小誤差，可對(duì)該實(shí)驗(yàn)作如下改進(jìn)。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①用試管作反應(yīng)容器，磷的燃燒均在密閉容器里進(jìn)行，可防止白煙污染空氣。用20mL注射器（活塞事先處在10mL刻度處）測(cè)量磷燃燒消耗的氧氣體積。

②操作：A.檢查裝置的氣密性。B.裝藥品，連好儀器。C.夾緊彈簧夾，加熱白磷，觀察現(xiàn)象。D.燃燒結(jié)束，試管冷卻后松開(kāi)彈簧夾，可以看到活塞慢慢左移到2mL刻度處，說(shuō)明空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為1/5。

3.銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

（1）設(shè)計(jì)意圖

課本中的銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是在試管中進(jìn)行的，其缺陷有：生成的一氧化氮?dú)怏w的無(wú)色不易觀察；無(wú)色氣體變?yōu)樽厣慕缦薏磺?。如果將注射器引入?shí)驗(yàn)中，可以讓裝置密封，氣體不能外逸，便于學(xué)生觀察NO為無(wú)色氣體，一氧化氮的生成與一氧化氮的轉(zhuǎn)化可以（即生成二氧化氮）分階段進(jìn)行。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①拔下注射器內(nèi)的活塞，向注射器的玻璃筒內(nèi)放入少量已繞成螺旋狀的細(xì)銅絲。

②裝上注射器的玻璃活塞，推動(dòng)活塞排盡玻璃筒內(nèi)的空氣，吸入少量的稀硝酸。并讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

③待注射器玻璃筒內(nèi)的無(wú)色氣體的體積約為2ml時(shí)，取下橡皮塞，拉動(dòng)活塞吸入少量的空氣后再迅速在注射器的針頭部位塞上事先配好的橡皮塞。并讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)看到有紅棕色氣體產(chǎn)生，現(xiàn)象明顯。

④將氫氧化鈉吸入注射器內(nèi)，將剩余溶液和有毒氣體除掉。

4.Fe（OH）2的制備

（1）設(shè)計(jì)意圖

氫氧化亞鐵的制備原本是教師演示實(shí)驗(yàn)，教材演示實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的違反常規(guī)的操作（即滴管插入液面下）肯定會(huì)引起學(xué)生的疑惑，這恰恰正是探究的絕佳素材；而且按照教材中的要求制備氫氧化亞鐵，很難觀察到理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，白色沉淀中往往夾雜著灰綠色，幾乎分辨不出。教材由此要求學(xué)生推理出氫氧化亞鐵很不穩(wěn)定，很快被空氣中的氧氣所氧化，這難以使學(xué)生信服，影響了學(xué)習(xí)效果。此實(shí)驗(yàn)若采用注射器來(lái)完成，則效果明顯。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①用甲注射器吸入約10mlFeSO4溶液，并將針頭插入膠塞封閉。

②用乙注射器吸入約10ml氫氧化鈉溶液。

③將乙注射器中的氫氧化鈉溶液慢慢推入甲注射器中，可看到甲注射器內(nèi)生成白色沉淀。

④拿掉乙注射器，將甲注射器活塞左移，吸入一定量空氣，可觀察到白色沉淀變?yōu)榛揖G色又變?yōu)榧t褐色的現(xiàn)象。

5.氯氣噴泉的微型實(shí)驗(yàn)

（1）設(shè)計(jì)意圖

在教學(xué)中對(duì)于Cl2在有機(jī)溶劑中的溶解性教材中沒(méi)有說(shuō)明，通過(guò)Cl2能與無(wú)水乙醇和NaOH溶液形成噴泉微型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生親身體驗(yàn)并認(rèn)識(shí)到Cl2易溶于有機(jī)溶劑，同時(shí)加深對(duì)Cl2與堿溶液反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)的理解。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①裝置中所用的儀器是醫(yī)用一次性注射器，在去掉活塞的注射器針筒中加入約0.1gKClO3粉末塞上橡膠塞，在另一注射器中吸入少量（約0.5mL）的濃鹽酸，將注射器內(nèi)的濃鹽酸注入加入KClO3粉末的針筒內(nèi)，KClO3遇濃鹽酸迅速產(chǎn)生Cl2氣體，將上部注射器活塞上推，片刻后拔出針頭和注射器。

②用注射器吸入一定量無(wú)水乙醇，將注射器針頭刺入含有大量Cl2的針筒內(nèi)，盡可能將針頭全部插入注射器，再輕推注射器活塞，將少量無(wú)水乙醇注入針筒內(nèi)，針筒內(nèi)很快就形成噴泉。

③該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，適合學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)使用。

④NaOH與Cl2的噴泉實(shí)驗(yàn)步驟同上。

6.影響化學(xué)平衡的條件

（1）設(shè)計(jì)意圖

教材中對(duì)于壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生形成直觀的思維。此處如有實(shí)驗(yàn)，則便于學(xué)生理解。同時(shí)教材中濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響的演示實(shí)驗(yàn)又要用到NO2和N2O4，所以此處可將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)放在一起完成，增加課堂教學(xué)效果。

（2）改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

（3）實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

①用一支注射器（50ml或更大些的）吸入約30ml二氧化氮和四氧化氮的混合氣體，并將針頭插入膠塞封閉。

②將注射器活塞反復(fù)往里推和往外拉，可以觀察到隨壓強(qiáng)變化對(duì)化學(xué)平衡的影響。當(dāng)活塞往外拉時(shí)，混合氣體的顏色先變淺又逐漸變深。應(yīng)怎樣理解呢？這必然是由于針筒內(nèi)體積增大，使氣體的壓強(qiáng)減小，濃度也減小，顏色變淺。后來(lái)顏色逐漸變深，這必然是由于化學(xué)平衡向著生成NO2反應(yīng)的方向即氣體體積增大的方向（每1體積N2O4分解生成2體積NO2）移動(dòng)了。當(dāng)活塞往里推時(shí)，混合氣體的顏色先變深又逐漸變淺。這必然是由于針筒內(nèi)體積減小，氣體的壓強(qiáng)增大，濃度也增大，顏色變深。由于化學(xué)平衡向著生成N2O4的方向即氣體體積縮小的方向移動(dòng)，因此混合氣體的顏色又逐漸變淺了。

③將注射器分別浸入熱水和冰水中，請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察兩次實(shí)驗(yàn)中的注射內(nèi)氣體顏色的變化，并通過(guò)與原注射器內(nèi)顏色相比，說(shuō)明二氧化氮雙聚成四氧化氮是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)。

二、開(kāi)展微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義

1.傳播綠色化學(xué)理念

微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。用盡量少的試劑做實(shí)驗(yàn)，既可節(jié)約開(kāi)支，又能避免污染環(huán)境，同時(shí)又保證了實(shí)驗(yàn)的安全。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)使用試劑為常規(guī)量的（十分之一——百分之一），體現(xiàn)了綠色化學(xué)預(yù)防化學(xué)污染的原則，也體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)由“粗放型”到“集約型”的發(fā)展趨勢(shì)。

2.轉(zhuǎn)變化學(xué)學(xué)習(xí)方式

開(kāi)展微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以給學(xué)生提供更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，有效增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的參與度，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)方式的改變，借助微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)這個(gè)平臺(tái)使學(xué)生親身體驗(yàn)、在實(shí)驗(yàn)中提高、在交流中升華、在解決問(wèn)題中提高能力、在設(shè)計(jì)中體驗(yàn)創(chuàng)新。

3.落實(shí)新課改精神

微型實(shí)驗(yàn)既有助于解決實(shí)驗(yàn)儀器、藥品的短缺問(wèn)題，又可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，使學(xué)生自覺(jué)養(yǎng)成節(jié)約意識(shí)和環(huán)保意識(shí)，從而更好地落實(shí)新課標(biāo)精神。

4.開(kāi)展微型綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)要探究的問(wèn)題

（1）由于微型化學(xué)設(shè)備的微型化，所用藥品的微量化，導(dǎo)致了與常規(guī)實(shí)驗(yàn)在規(guī)范化操作上存在一定的差異。從培養(yǎng)學(xué)生基本操作技能的角度講，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在一定的局限性。

（2）由于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)與一般實(shí)驗(yàn)儀器差別很大，教師在指導(dǎo)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意實(shí)驗(yàn)條件的探索。如微型塑料型儀器不能加熱，塑料本身能與一些化學(xué)試劑起反應(yīng)而使其應(yīng)用受到影響。

三、問(wèn)題與討論

1.存在的問(wèn)題

（1）微型實(shí)驗(yàn)不適合作為演示實(shí)驗(yàn)

由于儀器、裝置及實(shí)驗(yàn)規(guī)模都小，實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度低，如果不采用投影儀等放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的補(bǔ)救手段，其不適于用做演示實(shí)驗(yàn)。

（2）微型實(shí)驗(yàn)不適用于定量實(shí)驗(yàn)和對(duì)反應(yīng)條件有一定要求的實(shí)驗(yàn)

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物及產(chǎn)物的量都小，沾附在容器壁上的藥物占整個(gè)反應(yīng)物或生成物的比偏大，在制備實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)中因產(chǎn)率過(guò)低而使實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。另外，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在攪拌、抽濾、分液、萃取、控溫等實(shí)驗(yàn)操作上難度較高，學(xué)生難以操作。

2.幾點(diǎn)建議

（1）一定要注意實(shí)驗(yàn)的安全性

化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性，任何不當(dāng)都可能造成不可挽回的損失，因此，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)必須在有安全保障和教師的指導(dǎo)下進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備階段：?jiǎn)栴}的提出、實(shí)驗(yàn)課題設(shè)立，實(shí)驗(yàn)物質(zhì)分析，都要進(jìn)行必要的安全評(píng)估。以避免學(xué)生利用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行探究時(shí)發(fā)生妨礙社會(huì)家庭生活的情況，如中毒、放射性危險(xiǎn)、儀器爆炸等不良后果。

（2）強(qiáng)化使用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的目的性

沒(méi)有目的的實(shí)驗(yàn)只是玩。教師不但要讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，還要教會(huì)學(xué)生查閱科學(xué)文獻(xiàn)確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡姆椒?，以及養(yǎng)成真實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的科學(xué)習(xí)慣。這也是教師在微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必須發(fā)揮的關(guān)鍵的作用。

此外，還應(yīng)重視對(duì)實(shí)驗(yàn)中得不到正確現(xiàn)象的失敗原因的分析?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是失敗的藝術(shù)，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)也是培養(yǎng)學(xué)生善于找到失敗的原因，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材和方案，這才是最大限度地發(fā)揮微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用的根本。

（3）教師應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、方案的研究

微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)替代常規(guī)實(shí)驗(yàn)，藥品的用量、儀器設(shè)備的變化會(huì)引起試劑濃度、儀器規(guī)格、實(shí)驗(yàn)條件的改變，因而不能完全照搬常規(guī)實(shí)驗(yàn)的條件和方法。這就需要老師不僅在平時(shí)教學(xué)中作個(gè)有心人，還應(yīng)多瀏覽學(xué)習(xí)《化學(xué)教學(xué)》《化學(xué)教育》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》和《化學(xué)通報(bào)》等刊物上發(fā)表的有關(guān)中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的設(shè)計(jì)、改進(jìn)的方案。對(duì)素材逐一進(jìn)行研究，不斷優(yōu)化，提出自己切實(shí)可行的、科學(xué)的新思路、新方法、新方案?！八街?，可以攻玉?！痹诳赡艿臈l件下，也要研究國(guó)外的中學(xué)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、方案，探求人家的設(shè)計(jì)思路，找出值得借鑒之處，豐富經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)闊視野。

（作者單位：江西省南康中學(xué)）