密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置的新改進(jìn)

馬力 趙雯

摘要： 在遵循教學(xué)目標(biāo)的前提下，以課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，針對教材中NO2與N2O4的平衡移動實(shí)驗(yàn)、氯化氫（HCl）氣體的制取與噴泉實(shí)驗(yàn)、NO等多種氣體的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行密封性實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡便、試劑微量化、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保，便于學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 密封性氣體實(shí)驗(yàn); 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 吸嘴袋; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2020）05006904

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高中化學(xué)探究元素化合物的相關(guān)性質(zhì)時，往往需要通過實(shí)驗(yàn)對氯氣、二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、氯化氫、乙烯等氣體的制備與性質(zhì)進(jìn)行研究與探索。但在實(shí)際教學(xué)中存在的不足之處是，這些實(shí)驗(yàn)通常需要較大的藥品用量，氣體收集準(zhǔn)備時間及氣體性質(zhì)驗(yàn)證時間相對較長，氣體收集儲存及實(shí)驗(yàn)過程中比較容易泄漏造成空氣污染等。因此，在長期的教學(xué)中，對于該部分氣體實(shí)驗(yàn)，學(xué)生主要是通過教師演示、多媒體課件或以講代做等低效甚至不講成效的方式來學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能和操作性知識。即使有機(jī)會動手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也只是按照教材上的實(shí)驗(yàn)步驟去機(jī)械模仿。這不僅不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣，而且更難以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維和科學(xué)素養(yǎng)。長此以往，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和探究創(chuàng)新能力都將受到嚴(yán)重抑制，這顯然與培育學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)相悖[1]。

對化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化和改進(jìn)是為了更好地體現(xiàn)教與學(xué)的關(guān)系，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)旨在使實(shí)驗(yàn)用品消耗更少、實(shí)驗(yàn)過程更環(huán)保、實(shí)驗(yàn)操作更簡便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、實(shí)驗(yàn)結(jié)果更易于學(xué)生接受，同時激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的欲望，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和對社會、對未來的責(zé)任感，以及環(huán)境保護(hù)意識和可持續(xù)發(fā)展的觀念[2，3]。其實(shí)隨著課程改革的不斷推進(jìn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能和價(jià)值不再局限于知識和技能的掌握，而是朝著促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、提升化學(xué)核心素養(yǎng)的方向改革。教材中的經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生活動，均建立在大量實(shí)證研究的基礎(chǔ)上，有著意義深刻的教育教學(xué)功能和育人價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生對基本化學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)基本技能的掌握。因此，筆者認(rèn)為密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)應(yīng)以立足教材為前提，即改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)必須要能承載化學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能和價(jià)值、實(shí)驗(yàn)背后所蘊(yùn)含的意義以及知識的傳遞作用和立德樹人價(jià)值。當(dāng)然，更重要的是在實(shí)驗(yàn)中要關(guān)注學(xué)科思維和方法的滲透，最大程度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的作用。

那么，如何通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，使得教材中的氣體實(shí)驗(yàn)既環(huán)保又易于操作呢？從環(huán)保的角度考慮，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在密閉裝置內(nèi)完成;從學(xué)生能夠動手實(shí)踐的角度考慮，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該簡單實(shí)用。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)制作了一套操作簡便、現(xiàn)象直觀、綠色環(huán)保的密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置，很好地解決了上述問題。該裝置主要由吸嘴袋、注射器、密封塞組成（如圖1所示），并結(jié)合脫脂棉、塑封袋、熱封袋器、干冰噴霧等使用。利用密封塞和注射器的簡單組合，既可以對吸嘴袋進(jìn)行抽氣處理，又可以向吸嘴袋中注入液體、氣體反應(yīng)物等，結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、無環(huán)境污染、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，適用于各類氣體及需要密封條件較好的實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品

密封塞、旋塞、注射器、可固定活塞注射器、吸嘴袋、脫脂棉、塑封袋、熱封袋器、長針頭、燒杯、水浴鍋、滴管、干冰噴霧、加厚透明PS塑料真空密封罐（網(wǎng)上有售）

2 實(shí)驗(yàn)試劑

濃H2SO4、濃HCl、 KMnO4固體、溴化鉀溶液、紫色石蕊溶液、品紅溶液、銅片、濃HNO3、稀HNO3、乙烯利溶液、NaOH、紅墨水等

3 實(shí)驗(yàn)方法和現(xiàn)象

3.1 NO、 NO2的相關(guān)性質(zhì)及NO2與N2O4的平衡移動實(shí)驗(yàn)

NO、 NO2氣體是兩種重要的氮的氧化物，二者均有毒，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往耗時長、污染大，不利于學(xué)生開展NO、 NO2氣體性質(zhì)及NO2與N2O4平衡移動的探究?；诖?，筆者對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)。

向2個吸嘴袋中各加入少量銅片后，用密封塞將吸嘴袋密封，并用注射器抽取出吸嘴袋中空氣。隨后再分別用注射器吸取約1mL濃硝酸、2mL稀硝酸注入2個吸嘴袋中?？梢悦黠@觀察到，加有濃硝酸的吸嘴袋中迅速產(chǎn)生大量紅棕色氣體NO2，而加有稀硝酸的吸嘴袋中則產(chǎn)生無色氣體NO。

將加有濃HNO3的吸嘴袋升溫，可觀察到袋內(nèi)NO2氣體顏色明顯變深。用干冰噴霧對其迅速降溫，則可觀察到氣體顏色瞬間變淺至幾乎無色。用注射器向加有稀HNO3的吸嘴袋中注入少量空氣后，可以觀察到氣體變?yōu)榧t棕色。繼續(xù)用注射器注入少量水后，紅棕色的氣體變淺至幾乎無色。注入空氣和水的實(shí)驗(yàn)操作可循環(huán)交替進(jìn)行。

在進(jìn)行NO2與N2O4平衡移動實(shí)驗(yàn)探究時，將收集有NO2的吸嘴袋放入真空密封罐中，通過抽氣與注入空氣的操作來改變密封罐內(nèi)的壓強(qiáng)，并可借用手機(jī)app軟件如“顏色識別器”“TouchColor”等觀察到吸嘴袋中氣體顏色出現(xiàn)的相應(yīng)變化。以“顏色識別器”app為例，對密封罐進(jìn)行抽真空操作時可觀察到顏色數(shù)值（R值、G值和B值）呈現(xiàn)先變小后逐漸增大的趨勢，而向密封罐中重新注入空氣后，可觀察到R值、G值和B值呈現(xiàn)先變大然后逐漸變小的趨勢。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)過程中思考數(shù)值變化的原因，培養(yǎng)他們辯證思維和分析解決實(shí)際問題的能力。

該實(shí)驗(yàn)把氣體的發(fā)生裝置與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置合并起來，可以減少實(shí)驗(yàn)中有毒氣體的外逸，有效地減少對環(huán)境的污染。課堂上用上述方法進(jìn)行銅與稀硝酸、銅與濃硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，試劑用量少，實(shí)驗(yàn)成功率高，還可多次使用。由于改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡單、現(xiàn)象明顯，適合課堂上學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

3.2 氯化氫（HCl）氣體的收集與噴泉實(shí)驗(yàn)

氯化氫噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個生動有趣的實(shí)驗(yàn)，它將物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)融為一體，從而形象生動地證明了氯化氫易溶于水的事實(shí)，促進(jìn)了學(xué)生對于氯化氫物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)知。但是傳統(tǒng)的噴泉實(shí)驗(yàn)在操作上存在諸多弊端，如實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備比較繁瑣、需要大量藥品、受天氣影響、易泄露造成污染、成功率低等。傳統(tǒng)的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置已難以滿足學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的需求，故筆者將實(shí)驗(yàn)改進(jìn)如下。

先向吸嘴袋中加入約1mL濃硫酸后，用密封塞將吸嘴袋密封，并用注射器抽取出吸嘴袋中空氣且盡量抽盡。然后再用注射器吸取約1mL濃鹽酸注入吸嘴袋中，可觀察到吸嘴袋迅速膨脹，產(chǎn)生大量的HCl氣體。取用該氣體時，可用注射器抽取所需用量。

進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)操作時，用帶有活塞固定功能的注射器抽取約8mL HCl氣體后，將注射器活塞處固定，并迅速用橡膠帽（塞）替換下針頭，使注射器密封。然后再取一支較長的針頭，先將其底部放置于裝有有顏色水的燒杯中，并使針頭穿過橡膠帽插入裝有HCl氣體的注射器（如圖2所示），便可觀察到噴泉現(xiàn)象。本裝置也同樣適用于氨氣等氣體的噴泉實(shí)驗(yàn)。

3.3 Cl2、 C2H4的收集與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

氯氣有毒，少量逸出就會使人感到呼吸困難。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往污染大，不利于學(xué)生開展氯氣性質(zhì)的探究實(shí)驗(yàn)。因此，筆者對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)。

向吸嘴袋中加入約2g KMnO4粉末后，用密封塞密封，并對吸嘴袋內(nèi)空氣進(jìn)行抽氣處理且盡量抽盡。隨后再注入約2mL濃鹽酸，可以觀察到發(fā)生反應(yīng)吸嘴袋迅速膨脹，產(chǎn)生大量黃綠色氣體。整個實(shí)驗(yàn)氯氣控制在“零泄漏”水平。當(dāng)取用該氣體時，可用注射器抽取所需用量。

進(jìn)行氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究時，將紫色石蕊溶液和品紅溶液分別注入兩塊小脫脂棉中，并將脫脂棉與之前充滿氯氣的吸嘴袋一起放入塑封袋中，用熱封袋器密封。隔著塑封袋打開吸嘴袋密封塞，使少量Cl2進(jìn)入塑封袋，可以觀察到氯氣與脫脂棉中各試劑的反應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)然，氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究中也可加入沾有其他試劑的脫脂棉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如淀粉碘化鉀溶液、溴化鉀溶液、氯化亞鐵與硫氰酸鉀混合液等。

本實(shí)驗(yàn)將氯氣制備與氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)整合在一個密封裝置中，有效防止有毒氣體的逸散。學(xué)生可全程參與實(shí)驗(yàn)，并在較短的時間內(nèi)從整體上掌握氯氣的制備和性質(zhì)，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)所用的藥品和實(shí)驗(yàn)次數(shù)大大減少，避免了實(shí)驗(yàn)過程中的重復(fù)操作，節(jié)約了課堂時間。整個反應(yīng)裝置是密閉的，沒有氯氣逸出，對環(huán)境幾乎沒有污染。中學(xué)里一些有毒氣體的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)也可以參考該思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如SO2、 H2S氣體等。

該裝置同樣適用于C2H4氣體的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，制取時只需將固體替換為NaOH，液體改為乙烯利溶液。進(jìn)行性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)時，可用注射器抽取少量乙烯氣體后再用該注射器吸取酸性高錳酸鉀溶液、溴水溶液等，可明顯快速地觀察到褪色現(xiàn)象。另外，也可用注射器從吸嘴袋中抽取乙烯氣體進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，可觀察到明亮火焰并伴隨有少量黑煙。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新之處

（1） 本密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置將高中化學(xué)教材中有毒、有害氣體的制備與性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置簡單化、試劑微量化，具有操作簡便、現(xiàn)象直觀、較綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。利用本密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識，又可以提升學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

（2） 教材中涉及的HCl氣體的制取和收集實(shí)驗(yàn)，往往需要較長的時間。為了節(jié)約課堂時間HCl氣體一般需要提前準(zhǔn)備并密封保存，但是受制取時氣體濃度與裝置密封性、空氣濕度等多方面影響，實(shí)驗(yàn)效果有時并不盡如人意，而且在制取過程中消耗藥品較多、產(chǎn)生刺激性氣味也較大。但通過使用本密封性實(shí)驗(yàn)裝置，教師可以在課堂教學(xué)中利用少量濃硫酸和濃鹽酸現(xiàn)場制備氯化氫氣體，僅需短短幾秒，就能收集大量HCl氣體，且氣體純度高、對空氣污染小，大大縮短了實(shí)驗(yàn)的時間，提高了課堂教學(xué)的時效性。當(dāng)需要進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)時，可隨時用注射器抽取所需氣體用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作簡便，現(xiàn)象清晰明顯，學(xué)生也可在課堂上自己抽取氯化氫氣體并完成噴泉實(shí)驗(yàn)，且不易受天氣的影響，實(shí)驗(yàn)成功率高。

（3） 在以往教學(xué)過程中，銅與稀硝酸的反應(yīng)是在試管中進(jìn)行的，一方面產(chǎn)生的氣體容易污染空氣，另一方面反應(yīng)產(chǎn)生的NO氣體很容易和空氣接觸產(chǎn)生紅棕色NO2氣體，造成學(xué)生對NO氣體的顏色經(jīng)常產(chǎn)生誤解。而通過使用本密封性實(shí)驗(yàn)裝置，既能減少氣體逸出污染，又能最大程度地避免NO氣體與空氣接觸生成NO2。另外，通過本裝置制取所得NO氣體還可以直接進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，只需通過注射器往吸嘴袋中加入少量空氣，就可以清晰看到無色氣體（NO）變?yōu)榧t棕色（NO2）;再繼續(xù)加入少量水，又可以觀察到紅棕色氣體（NO2）又逐漸變?yōu)闊o色（NO），且可多次循環(huán)操作。實(shí)驗(yàn)操作簡單快捷、反應(yīng)迅速、現(xiàn)象明顯，十分便于學(xué)生操作與探究。

5 結(jié)語

本文針對高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及的部分有毒、有害氣體進(jìn)行密封性氣體實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。新改進(jìn)的裝置操作簡便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保，具有一定的推廣價(jià)值。將該裝置應(yīng)用于NO2與N2O4的平衡移動實(shí)驗(yàn)、HCl等氣體的噴泉實(shí)驗(yàn)以及NO、 NO2、 Cl2、 C2H4等氣體的制取與性質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，便于學(xué)生親自動手實(shí)踐與操作，主動參與構(gòu)建相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在完成教學(xué)目標(biāo)的同時，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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