綠色化學(xué)理念下一體式實驗裝置的創(chuàng)新設(shè)計

何大明　龐春輝

【摘 要】本文基于綠色化學(xué)理念，以“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)與性質(zhì)檢驗”和“氯氣的制備與性質(zhì)實驗”為例，探討一體式實驗改進的策略，以更好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】綠色化學(xué) 一體式實驗 創(chuàng)新設(shè)計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07B-0043-02

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)?；瘜W(xué)實驗以其直觀性、趣味性很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和動手能力，有助于學(xué)生養(yǎng)成嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度和加強對知識的理解和鞏固，是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。在高中化學(xué)教學(xué)中，有些物質(zhì)的制備與性質(zhì)實驗是分開進行的，存在浪費藥品、耗時長、危險性高的情況，這較大地影響課堂教學(xué)效果和教學(xué)進度，不利于學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)。因此，筆者基于綠色化學(xué)理念和優(yōu)化實驗教學(xué)的目的，以“濃硫酸與蔗糖反應(yīng)與性質(zhì)檢驗”和“氯氣的制備與性質(zhì)實驗”為例，探討一體式實驗改進的策略，以提高教學(xué)效果。

一、濃硫酸與蔗糖反應(yīng)實驗

濃硫酸的脫水性是濃硫酸的三大特性之一，濃硫酸與蔗糖反應(yīng)的實驗是檢驗這一性質(zhì)的經(jīng)典實驗。教材中實驗（如圖1所示）設(shè)計為：在 200 mL 的燒杯中放入 20 g 蔗糖，加入幾滴水，攪拌均勻，然后再加入 15 mL 溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為 98% 的濃硫酸，迅速攪拌，觀察實驗現(xiàn)象。這是一個非常有趣的實驗，課本上對現(xiàn)象的描述是這樣：可以看到蔗糖逐漸變黑，體積膨脹，形成一種海綿狀的炭。

該實驗雖然方法簡單，現(xiàn)象明顯，能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但存在以下問題：

1.反應(yīng)在燒杯中進行，藥品用量大；

2.裝置是敞開式的，反應(yīng)過程中生成大量有毒氣體直接排放到空氣中，污染教室環(huán)境，影響師生健康，不利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，也不符合“綠色化學(xué)”的理念；

3.實驗?zāi)康膯我唬痪窒拊跐饬蛩崦撍缘难菔?，而對于反?yīng)中生成氣體不能進一步檢驗，缺乏拓展與探究。

出于這些原因，筆者采用密封裝置，對該實驗做了以下改進。形成一體式實驗裝置，如圖 2 所示。

（一）實驗儀器及藥品

具支試管、導(dǎo)管、橡皮塞、試管、鐵架臺、單孔橡皮塞、玻璃棒、蔗糖、濃硫酸、品紅溶液、高錳酸鉀溶液、澄清石灰水、NaOH 溶液。

（二）實驗操作及現(xiàn)象

1.連接好實驗裝置并檢查裝置的氣密性，具支試管②③④⑤中分別加入品紅溶液、酸性高錳酸鉀、品紅溶液、澄清石灰水；

2.稱取 5.0 g 蔗糖，放入具支試管①中；

3.向蔗糖加入幾滴蒸餾水，然后量取 4 mL 的濃硫酸緩慢加入裝有蔗糖的具支試管中，并用玻璃棒攪拌，使混合均勻，然后迅速用橡膠塞塞好；

4.觀察現(xiàn)象：具支試管①內(nèi)的蔗糖先從白色變?yōu)楹稚僮優(yōu)楹谏?。產(chǎn)生了“黑面包”，“黑面包”會膨脹很大，最后形成疏松多孔海綿狀碳上升至具支試管口；具支試管②中品紅溶液很快褪色說明生成的 SO2 具有漂白性；具支試管③酸性高錳酸鉀溶液顏色變淺，說明 SO2 具有還原性，同時除去 SO2；具支試管④中的品紅溶液不褪色，澄清石灰水變渾濁說明還有 CO2 生成。

（三）實驗原理

由于蒸餾水與濃硫酸發(fā)生了強烈的水合作用，放出了大量的熱量，使反應(yīng)溫度迅速上升，促使蔗糖脫水碳化游離出來的部分碳在高溫下與濃硫酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，釋放出來的二氧化碳和二氧化硫氣體使試管內(nèi)黑色物質(zhì)的體積迅速膨脹，產(chǎn)生了“黑面包”?；瘜W(xué)方程式分別為：

C+2H2SO4CO2↑+2SO2↑+2H2O

2KMnO4+5SO2+2H2O=K2S04+2MnSO4+2H2SO4

CO2+Ca（OH）2=CaC03↓+H2O

（四）實驗優(yōu)點

1.將傳統(tǒng)實驗使用的大燒杯改為具支試管，減少了實驗藥品的用量，大幅減少有害氣體的生成量；

2.實驗中使用了具支試管，解決了雙孔橡膠塞安裝導(dǎo)管麻煩這一問題；

3.打破了傳統(tǒng)實驗的單一性，對反應(yīng)產(chǎn)生的氣體進行檢驗，從而讓學(xué)生從一個實驗中完全體驗到了濃硫酸的三大特性，充分理解反應(yīng)原理，印象深刻；

4.整個實驗在封閉的體系中進行，并對尾氣進行處理，避免污染環(huán)境，充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)的新理念，強化了學(xué)生環(huán)境保護意識，在實際教學(xué)中具有推廣的價值。

二、氯氣的制備與性質(zhì)實驗

（一）實驗改進原因

在人教版化學(xué)必修 1 課本中，關(guān)于氯氣的漂白性、氧化性、還原性等性質(zhì)的檢驗實驗內(nèi)容分散，需要多次重復(fù)使用氯氣。這個實驗雖然現(xiàn)象明顯，但是實驗過程中卻存在以下問題：要另外搭建制取裝置收集氯氣；預(yù)先收集的氯氣在課堂演示時會泄露而產(chǎn)生污染，影響課堂效果及師生身體健康；氯氣用量大導(dǎo)致原料浪費。而且對于氯氣性質(zhì)如氧化性、還原性等知識沒有很好地進行探究，但這一知識點卻是高考的重點內(nèi)容。因此，設(shè)計高效、簡潔、環(huán)保、易操作、現(xiàn)象明顯且能集氯氣制備、性質(zhì)檢驗的一體式實驗裝置顯然很有意義?；诖耍P者設(shè)計了如下實驗裝置來完成這一系列實驗（如圖 3 所示）。

（二）實驗儀器及藥品

儀器：具支試管、導(dǎo)管、橡皮塞、硬質(zhì)玻璃管、鐵架臺、注射器。

藥品：濃鹽酸、高錳酸鉀溶液、飽和食鹽水、無水氯化鈣、有色布條、KI 淀粉試紙、氫氧化鈉溶液、棉花。

（三）實驗操作及現(xiàn)象

1.連接好實驗裝置并檢查裝置的氣密性；

2.在具支管 Ⅰ 中加入少量的高錳酸鉀固體，在管口插入吸有濃鹽酸的注射器；

3.將適量濃鹽酸滴入裝有高錳酸鉀固體的具支管 Ⅰ 中，立即有黃綠色的氣體產(chǎn)生；endprint

4.在硬質(zhì)玻璃管中，發(fā)現(xiàn)干的有色布條無明顯現(xiàn)象，濕潤的有色布條褪色，濕潤的 KI 淀粉試紙變藍，蘸有氫氧化鈉溶液的棉花能夠吸收多余的氯氣，小氣球防止氯氣擴散到空氣中污染環(huán)境。

（四）實驗原理

氯氣的制取：

2KMnO4+16HCl（濃）=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

蘸有食鹽水、無水氯化鈣的棉花：除去 HCl 氣體及除水蒸氣。

干的有色布條：不褪色說明 Cl2 沒有漂白性。

濕的有色布條：褪色說明 Cl2 和 H2O 反應(yīng)生成的 HClO 具有漂白性。

濕潤的 KI 淀粉試紙：

2KI+Cl2=2KCl+I2 （I2遇到淀粉變藍色）

蘸有 NaOH 溶液的棉花：

Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O

（五）實驗優(yōu)點

1.儀器方便易得，實驗裝置簡易輕便，實驗操作簡單?，F(xiàn)象明顯且用時較短。避免了氯氣用量大而造成浪費和空氣污染，而且實驗效果好，有利于環(huán)保，符合綠色化學(xué)理念。

2.將氯氣的制取及性質(zhì)實驗一體化，有利于分組實驗進行探究性學(xué)習(xí)，符合新課改理念。

3.在封閉的小空間內(nèi)進行實驗，體現(xiàn)了實驗微型化、綠色化的思想。

4.對其它有毒氣體（如 SO2、NO2）的制取及性質(zhì)實驗有較強的示范性，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。

就中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)而言，要在教學(xué)活動中實施素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，應(yīng)該在課程、教材、教法、研究等方方面面都做周密的思考，敢于對課堂內(nèi)外的實驗教學(xué)做大膽的改革和創(chuàng)新?；瘜W(xué)實驗教學(xué)應(yīng)走素質(zhì)教育之路，通過實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度。開發(fā)適合課堂上進行的一體式實驗裝置，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，而且可以優(yōu)化課堂教學(xué)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。這對于新課改下全面實施素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力都具有非常重要的意義。

【參考文獻】

[1]李再峰.綠色化學(xué)實驗[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005

[2]王 春.化學(xué)新課程教學(xué)中實施綠色化學(xué)教育的策略探討[J].化學(xué)教學(xué)，2009（7）

（責(zé)編 盧建龍）endprint