論改進(jìn)實(shí)驗(yàn)是對(duì)教材的延伸和拓展
——以《二氧化氮的制備及相關(guān)性質(zhì)》改進(jìn)實(shí)驗(yàn)為例

◆尚磊

(鞍山市海城高中)

一、問(wèn)題的提出

舊人教版中二氧化氮的制備裝置的缺點(diǎn)：裝置氣密性是重要挑戰(zhàn)的問(wèn)題，一旦泄露，對(duì)實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生身體都有一定的傷害；固液分離困難，反應(yīng)不易控制；空氣干擾，一氧化氮干擾；排空氣收集不徹底。

新課標(biāo)人教版化學(xué)必修一教材中則刪除了二氧化氮的制備實(shí)驗(yàn)，但提出了二氧化氮和水反應(yīng)的科學(xué)探究，但對(duì)二氧化氮的制備及相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置并未給出，學(xué)生只能在教師的語(yǔ)言描述中進(jìn)行宏觀了解，缺少親手實(shí)驗(yàn)的直觀體驗(yàn)，導(dǎo)致探究實(shí)驗(yàn)徒有形式，可操作性極差，同時(shí)氮及其化合物的性質(zhì)在非金屬元素化合物中占有重要地位，關(guān)于金屬與濃、稀硝酸反應(yīng)的考察也備受高考的偏愛(ài)。然而由于氮氧化物有毒，影響人體健康，因此，本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)遵循了綠色化學(xué)理念，聯(lián)系生活實(shí)際，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且無(wú)毒無(wú)害。

綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)或清潔化學(xué)，是從源頭上防止污染產(chǎn)生或把化學(xué)過(guò)程對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響降到最低程度的化學(xué)。綠色化學(xué)要求原料和產(chǎn)品無(wú)害，在化學(xué)過(guò)程中不產(chǎn)生“三廢”或使“三廢”降低到最低程度。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的途徑：

(1)開(kāi)發(fā)綠色實(shí)驗(yàn)；

(2)防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尾氣、廢物等對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)驗(yàn)中有危害性氣體產(chǎn)生時(shí)要加強(qiáng)尾氣吸收，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物盡可能再利用；

(3)在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下，盡量減少實(shí)驗(yàn)試劑的用量，使實(shí)驗(yàn)小型化、微型化；

(4)對(duì)于危險(xiǎn)或反應(yīng)條件苛刻，污染嚴(yán)重或儀器、試劑價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)，可采用計(jì)算機(jī)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)或觀看實(shí)驗(yàn)錄像等辦法；

(5)妥善處置實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢物，防止污染環(huán)境。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1.通過(guò)微型化實(shí)驗(yàn)制取微量二氧化氮，試驗(yàn)其性質(zhì)

(1)觀察Cu 與濃HNO3反應(yīng)現(xiàn)象；

(2)觀察NO2氣體的顏色；

(3)觀察NO2與H2O的反應(yīng)現(xiàn)象；

(4)觀察產(chǎn)物NO與O2的反應(yīng)現(xiàn)象；

(5)觀察NO2、O2、H2O反應(yīng)生成HNO3的現(xiàn)象；

(6)觀察生成的HNO3遇石蕊的顏色變化。

2.體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)微型化與規(guī)范化的關(guān)系

3.培養(yǎng)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的意識(shí)

三、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.改進(jìn)方法

本實(shí)驗(yàn)利用醫(yī)用點(diǎn)滴袋和點(diǎn)滴瓶之間形成的一個(gè)相對(duì)密閉的小氣室，使少量二氧化氮在密閉空間擴(kuò)散，現(xiàn)象明顯，并防止泄露。具體操作如下：在醫(yī)用點(diǎn)滴袋中演示銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化氮和硝酸銅的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)觀察二氧化氮?dú)怏w的顏色；在點(diǎn)滴瓶中演示二氧化氮與水的反應(yīng)，一氧化氮與氧氣的反應(yīng)，繼而得出二氧化氮、氧氣和水反應(yīng)，最后所得溶液能使石蕊試液變紅

2.實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

儀器：點(diǎn)滴袋、點(diǎn)滴瓶、注射器(2支)、輸液器(3支)、燒杯

藥品：濃硝酸、銅絲、石蕊試液

3.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象

(1)將銅絲插入點(diǎn)滴袋

(2)用注射器量取10mL濃硝酸，注入點(diǎn)滴袋，使銅絲與濃硝酸充分接觸，觀察到銅絲與濃硝酸劇烈反應(yīng)，溶液變?yōu)榫G色，產(chǎn)生紅棕色氣體二氧化氮。即：Cu +4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

(3)當(dāng)氣體充滿點(diǎn)滴袋，抽出銅絲，反應(yīng)停止

(4)用導(dǎo)管連接點(diǎn)滴袋和裝滿水的點(diǎn)滴瓶

(5)打開(kāi)止水夾，迅速擠壓點(diǎn)滴袋，將氣體排入點(diǎn)滴瓶，觀察到瓶中液面迅速下降，氣體顏色變淺。關(guān)閉止水夾，拆除瓶上裝置，振蕩，氣體變?yōu)闊o(wú)色，瓶身略有凹陷，說(shuō)明二氧化氮與水反應(yīng)生成無(wú)色氣體，且氣體體積變小，即：3NO2+H2O=2HNO3+NO。

(6)向瓶中注入一定量的空氣，無(wú)色氣體迅速變?yōu)榧t棕色，說(shuō)明一氧化氮遇氧氣生成二氧化氮?dú)怏w，重復(fù)操作。即：2NO+O2=2NO2。

(7)取一定量石蕊試液，注入點(diǎn)滴瓶，溶液變紅，說(shuō)明二氧化氮與水反應(yīng)生成硝酸。即：4NO2+O2+2H2O=4HNO3或4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

四、改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.取材方便，應(yīng)用廣泛

實(shí)驗(yàn)器材來(lái)源于廢舊的醫(yī)療用品(使用前要徹底消毒)，現(xiàn)在醫(yī)院使用的注射液點(diǎn)滴袋、點(diǎn)滴瓶和輸液器均由一些高結(jié)晶度塑料如PP(主要成分是聚丙烯)，PVC(主要成分是聚氯乙烯)等組成，其體積小，重量輕，質(zhì)軟(易變性)，韌性好，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，透明度高，最重要的是密封性好，是進(jìn)行有毒氣體的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的絕佳容器?？赏茝V至銅與稀HNO3反應(yīng)生成一氧化氮或氯酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)生成氯氣的實(shí)驗(yàn)。

2.儀器簡(jiǎn)單、操作方便(固液易分離，產(chǎn)生氣體的量可控制)

3.耗時(shí)較短，現(xiàn)象明顯

4.體系封閉，安全可靠，環(huán)境友好

五、注意事項(xiàng)

(1)點(diǎn)滴袋使用前要清洗并抽真空，防止空氣干擾；點(diǎn)滴瓶清洗后要住滿

(2)銅絲在插入點(diǎn)滴瓶前要將尖頭卷起，防止插入后將點(diǎn)滴袋戳破，造成二氧化氮的泄露

(3)用注射器量取濃硝酸時(shí)不能將金屬針頭直接伸入濃硝酸，防止污染試劑

(4)向點(diǎn)滴袋中注入濃硝酸時(shí)，要由銅絲插入處注酸，且防止漏酸，以防在袋外發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，向點(diǎn)滴袋中注入一定量的水，對(duì)溶液進(jìn)行稀釋，在排風(fēng)處將點(diǎn)滴袋剪開(kāi)，排放可能剩余的有毒氣體。含硝酸銅的溶液要加入硫化鈉處理后再排入下水道，以防重金屬污染水源和土壤

六、反思與評(píng)價(jià)

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的目的是在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的延伸和拓展，因?yàn)榻滩牡木帉?xiě)往往會(huì)滯后于實(shí)驗(yàn)儀器和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而實(shí)驗(yàn)的基本操作方法也會(huì)隨著儀器的發(fā)展而改變。這就要求教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，與時(shí)俱進(jìn)，能夠針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)生認(rèn)知水平，進(jìn)行類(lèi)似于科學(xué)探究的學(xué)習(xí)和嘗試，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的積極性；在問(wèn)題的解決過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，梳理知識(shí)體系，并培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立科研能力，人際溝通能力，并且使學(xué)生有樂(lè)于服務(wù)的人生觀；滿足學(xué)生多元學(xué)習(xí)的需求，有效的解決了部分教材實(shí)驗(yàn)老舊繁，現(xiàn)象不明、原理不清的問(wèn)題，形成完善的學(xué)科知識(shí)體系，特別是數(shù)字化、微型化實(shí)驗(yàn)的介入改變了教與學(xué)的形態(tài)，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)化的學(xué)科知識(shí)、技能體系的形成、有效的培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。