幾則中學(xué)化學(xué)實驗的微量化創(chuàng)新設(shè)計

張麗華 陸春華

江蘇省海門中學(xué)(226100) 江蘇省南通市海門區(qū)正余初級中學(xué)(226153)

化學(xué)實驗微量化設(shè)計是指在使用常規(guī)化學(xué)儀器的前提下，所用試劑為常量試劑的十分之一甚至更少，這種實驗方法克服了傳統(tǒng)微型實驗中實驗儀器過小，實驗現(xiàn)象不夠明顯等缺點，具備操作簡便、污染少、耗時少，實驗現(xiàn)象明顯等優(yōu)點[1，2]。現(xiàn)階段有很多中學(xué)化學(xué)實驗是在敞口體系中進行的，實驗過程中生成的一些有害氣體會污染環(huán)境，雖然這些實驗可以在通風(fēng)處進行，但無法滿足多個班級同時進行實驗，所以，有些老師就把這些實驗放在普通教室中進行。在實驗過程中，將試劑用量微量化可以盡可能減少有害氣體的產(chǎn)生，減少對環(huán)境的影響[3]。筆者從環(huán)保、安全和節(jié)約藥品等角度對4個中學(xué)化學(xué)實驗進行微量化設(shè)計，不但節(jié)約了藥品，而且培養(yǎng)了學(xué)生環(huán)保意識。

1 銅與濃、稀硝酸反應(yīng)實驗

1.1 研究背景

現(xiàn)行的人教版高中化學(xué)教材對于該實驗并沒有直接給出實驗裝置,而魯教版教材中對該實驗的設(shè)計存在所耗試劑多、無法控制反應(yīng)速率、很難觀察到Cu與稀HNO3反應(yīng)產(chǎn)生一氧化氮、易倒吸等問題?；谥袑W(xué)化學(xué)實驗設(shè)計的綠色環(huán)保理念,筆者設(shè)計了一套微量化實驗裝置,該裝置具有操作簡便、反應(yīng)可控且現(xiàn)象明顯等優(yōu)點。

1.2 實驗用品

注射器、多用滴管、橡皮塞、玻璃管、乳膠管、具支U形管、側(cè)泡具支試管、濃HNO3(65%～68%)、螺旋狀銅絲、銅片、蒸餾水、0.1 mol/L的燒堿溶液等。

1.3 實驗裝置

實驗裝置見圖1。

圖1 Cu與濃、稀HNO3反應(yīng)實驗裝置

1.4 實驗步驟

(1)按圖1所示,連接儀器,檢查裝置的氣密性。

(2)將注射器取下,并拔出橡皮塞,裝藥品:向具支U形管中注入1 mL濃度為5 mol/L的濃硝酸(此時不能讓濃硝酸接觸到管中有孔內(nèi)套管里的銅絲)。側(cè)泡具支U形管A、B分別裝有蒸餾水和2 mL濃度為0.1 mol/L的燒堿溶液,B管上端插一帶有空氣的多用滴管。

(3)Cu和濃硝酸的反應(yīng):重新塞緊U形管左側(cè)的橡皮塞,并將注射器插入橡皮塞中,緩緩?fù)苿幼⑸淦骰钊?使U形管左側(cè)壓強增大,此時U形管右側(cè)液面升高,濃HNO3進入內(nèi)套管中,與銅絲接觸反應(yīng),銅絲表面立刻產(chǎn)生氣泡,內(nèi)套管上方出現(xiàn)紅棕色氣體,溶液變?yōu)闇\綠色,反應(yīng)進行約10 s后,可以緩緩拉注射器活塞,使銅和濃硝酸的反應(yīng)停止。

(4)Cu和稀硝酸的反應(yīng):待上述反應(yīng)停止約1 min后,反應(yīng)產(chǎn)生的紅棕色氣體進入A管中,該氣體不但密度大,而且易溶于水生成稀HNO3,根據(jù)物質(zhì)反應(yīng)的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系可知,此時A管中稀HNO3濃度約為1.67 mol/L,銅與稀HNO3反應(yīng),A管內(nèi)溶液由無色變?yōu)樗{色,銅片表面產(chǎn)生大量氣泡,此時A管和B管內(nèi)都沒有看到紅棕色氣體,將多用滴管內(nèi)空氣擠入,發(fā)現(xiàn)滴管下端有明顯的紅棕色氣體產(chǎn)生,說明銅和稀HNO3反應(yīng)生成NO,NO和氧氣反應(yīng)又生成了NO2。

(5)反應(yīng)結(jié)束后,拆下裝置,將反應(yīng)剩余液(硝酸溶液)倒入燒堿溶液中,洗滌儀器。

1.5 幾點說明

(1)魯教版教材中并沒有對反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體進行處理,易造成環(huán)境污染。Cu和濃、稀HNO3反應(yīng)分步進行,操作繁瑣,不易進行對比,且所耗藥品量大。本實驗只需少量試劑,且設(shè)計裝置一體化,能夠同時完成Cu和濃、稀HNO3反應(yīng)兩個實驗,具有很強的對比性。

(2)通過推拉注射器很好地控制了反應(yīng)的發(fā)生和停止。

(3)實驗結(jié)束后,將廢液混合處理(NaOH+HNO3=H2O+NaNO3),增強了學(xué)生“綠色環(huán)?！币庾R,從而有助于形成可持續(xù)發(fā)展的理念。

2 硫在O2中燃燒

2.1 研究背景

人教版初中化學(xué)教材中關(guān)于“硫在O2中燃燒”實驗的操作是:用藥匙取一定量的硫放在燃燒匙中,將燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱,將硫引燃,將引燃的硫伸入用排水法收集的一集氣瓶O2中(瓶中事先留有少量的水),雖然水能吸收燃燒生成的SO2,但由于該實驗是在敞口體系中進行,瓶中少量的水在短時間內(nèi)來不及將SO2完全吸收,因此,還有大部分SO2會逸散到空氣中,污染環(huán)境,如果讓學(xué)生進行分組實驗,對環(huán)境污染更加嚴(yán)重,所以,該實驗的設(shè)計不符合“綠色環(huán)保”理念。

2.2 實驗用品

500 mL的塑料礦泉水瓶、125 mL的集氣瓶、30 mL的培養(yǎng)皿、自制帶有小燃燒匙的玻璃棒、1%的燒堿溶液、硫粉等。

2.3 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

圖2 硫在O2中燃燒

2.4 實驗步驟

(1)取一個500 mL的塑料礦泉水瓶、剪去瓶底(大概為瓶體積的五分之一)。

(2)收集一瓶O2(排水法收集),瓶中留有少量水,再把集氣瓶放在培養(yǎng)皿中,將10 mL濃度為1%的燒堿溶液慢慢倒入培養(yǎng)皿中,切不可將溶液灑出來。

(3)取一玻璃棒,將其一端放在酒精噴燈上烘烤,將其加工成簡易燃燒匙,用藥匙取0.2 g硫粉放入該自制燃燒匙中,將硫粉點燃,再把插有玻璃棒的橡皮塞塞緊礦泉水瓶,同時將集氣瓶上的玻璃棒移開,讓玻璃棒伸入瓶中,此時,插有玻璃棒的無底礦泉水瓶套在集氣瓶外。

(4)硫燃燒產(chǎn)生藍紫色火焰,由于該反應(yīng)是在一個較大的密閉空間中進行,而且實驗所用的硫量少,生成的SO2可以被燒堿溶液完全吸收,不會逸出瓶外,避免了環(huán)境污染,體現(xiàn)了“綠色環(huán)?！崩砟?。

2.5 幾點說明

(1)實驗所耗藥品少。由于該實驗采用的是自制玻璃燃燒匙,實驗所需硫粉極少(0.2 g),節(jié)約了藥品。

(2)綠色環(huán)保。將無底塑料礦泉水瓶套在瓶外,且培養(yǎng)皿中的燒堿溶液有足夠的時間來吸收SO2,避免產(chǎn)生的SO2逸出,減少了對周圍環(huán)境的污染。

3 SO2性質(zhì)實驗

3.1 研究背景

實驗室制取SO2往往選用Na2SO3和稀H2SO4來進行反應(yīng),若用火柴頭來做該實驗,且使用普通試管,不但可以節(jié)約藥品,而且不影響對實驗現(xiàn)象的觀察?；鸩耦^中含有KClO3、S,引燃后會生成SO2。經(jīng)驗證,一個火柴頭燃燒生成的SO2可以使5 mL KMnO4溶液褪色,因此,可以用來做SO2的性質(zhì)實驗。

3.2 實驗用品

2%的淀粉溶液、5%的酸性KMnO4溶液、火柴、2%的碘酒、試管夾、細線、試管、酒精燈、木塞等。

3.3 實驗裝置

實驗裝置見圖3。

圖3 火柴頭制取二氧化碳

3.4 實驗步驟

(1)用線將兩根火柴捆在一起,火柴頭朝下,將其放入試管中,用試管夾夾住試管移至酒精燈火焰外焰處加熱10 s,火柴頭燃燒起來,產(chǎn)生少許白煙(由于此刻試管底部空氣受熱逸出,火柴梗沒有燃燒),將細線往外拉,取出火柴梗,迅速塞緊橡皮塞,這樣就收集了一試管SO2氣體,用相同的方法再收集兩試管SO2氣體,備用,分別標(biāo)記為試管A、B、C。

(2)將15 mL蒸餾水注入一試管中,再滴1滴濃度為5%的KMnO4溶液和2滴CH3COOH,溶液顯紫紅色,取該溶液的1/3倒入A試管中,稍稍振蕩A試管,紫紅色褪去。

(3)將15 mL蒸餾水注入一試管中,再滴1滴濃度為2%的碘酒溶液和3滴濃度為2%的淀粉溶液和2滴CH3COOH,此時溶液顯藍色,取該溶液的1/3倒入B試管中,稍稍振蕩B試管,藍色褪去。

(4)將一片紅色月季花的新鮮花瓣放入C試管中,塞緊橡皮塞,2 min后,花瓣紅色逐漸變淺。

3.5 幾點說明

(1)材料易得,所需藥品少,十分安全,適合學(xué)生做家庭小實驗。

(2)實驗成功率高,所需時間短,對環(huán)境幾乎無污染。

4 鋁熱反應(yīng)實驗

4.1 研究背景

鋁熱反應(yīng)是高中化學(xué)的一個重要實驗,現(xiàn)行的化學(xué)教材中,無論是人教版還是魯教版,對該實驗的設(shè)計存在以下問題:①鎂條燃燒產(chǎn)生的白光對眼睛傷害很大,而且不利于對實驗現(xiàn)象的觀察;②反應(yīng)過程中,反應(yīng)產(chǎn)生的熔融物向四周飛濺,十分危險。基于此,筆者設(shè)計了如下實驗方案。

4.2 實驗用品

鐵架臺(帶有鐵夾與鐵圈)、漏斗、棉布、易拉罐底部殼體、酒精棉球、包有Fe2O3、Al粉和KClO3粉末的紙包、藥匙、坩堝鉗、天平、紙片、酒精燈等。

4.3 實驗裝置

實驗裝置見圖4。

圖4 鋁熱反應(yīng)實驗

4.4 實驗步驟

(1)按圖4所示連接儀器,在鐵圈上放一高度約為3 cm的易拉罐底部殼體,將棉花平鋪在易拉罐底部殼體上,用天平分別稱取0.02 g Al粉、0.08 g Fe2O3、0.4 g KClO3混合均勻,并用紙包起來,將包有Fe2O3、Al粉和KClO3粉末的紙包放在棉花上面。

(2)用鐵夾將一倒扣的用棉布墊著的漏斗固定住,使漏斗下端與易拉罐距離約2 cm。

(3)將酒精燈引燃,取一小棉團用酒精濕潤,用坩堝鉗將該小棉團放在酒精燈上點燃,立即將其放入易拉罐里的紙包的上方,將反應(yīng)物點燃。

(4)10 s后,實驗現(xiàn)象如圖5所示,反應(yīng)異常劇烈,火星四濺,持續(xù)時間約30 s。待冷卻后,用坩堝鉗取出易拉罐,將磁鐵靠近易拉罐內(nèi)部,有細小鐵珠被磁鐵吸起,說明鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生Fe。

圖5 鋁熱反應(yīng)實驗現(xiàn)象

4.5 幾點說明

(1)易拉罐高度最好選擇3 cm左右的,太高不利于觀察實驗現(xiàn)象,太低不利于用品的擺放。

(2)漏斗下端與易拉罐上端間距要適中,間距過大火星會濺出來,不安全,間距過小棉球不易放入。

(3)Al粉、KClO3粉末與Fe2O3粉末一定要混合均勻,并用紙把它們包裹好,否則影響實驗效果。

(4)選擇濕棉布可以防止實驗時溫度過高,引燃棉布。此外,棉花球也不易過大,過大會導(dǎo)致未反應(yīng)完的棉花球繼續(xù)燃燒,污染環(huán)境。

(5)為確保實驗安全,觀察者至少距離1 m以上。

綜上所述,對上述4個化學(xué)實驗進行微量化設(shè)計,節(jié)約成本、操作簡便、現(xiàn)象明顯、實驗成功率高、大大減少了有害物質(zhì)的產(chǎn)生,是常規(guī)化學(xué)實驗補充的一種有效方法,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生動手操作能力、節(jié)約意識、環(huán)保意識。