錢(qián)海濱+項(xiàng)云

摘要：為了讓學(xué)生親自體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，減少化學(xué)試劑的用量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目的，進(jìn)行了噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的微量化設(shè)計(jì)和反應(yīng)熱實(shí)驗(yàn)裝置的外顯化設(shè)計(jì)。巧妙地固定好塑料針筒的活塞，收滿氨氣后把針筒下端插入滴有酚酞的水中，少量氨氣便溶于水產(chǎn)生負(fù)壓而引發(fā)噴泉；中和熱測(cè)定保溫杯的使用減少了反應(yīng)熱與周?chē)h(huán)境的熱交換，把具支試管和玻璃導(dǎo)管連接后插入品紅溶液，反應(yīng)時(shí)通過(guò)玻璃導(dǎo)管液面的變化來(lái)外顯反應(yīng)熱。二則實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)試劑的微量化，簡(jiǎn)單易行、現(xiàn)象明顯、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、成功率高。

關(guān)鍵詞：噴泉實(shí)驗(yàn)；中和熱測(cè)定；微量化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）10–0068–03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 便于分組實(shí)驗(yàn)的氨氣噴泉裝置的微量化設(shè)計(jì)

對(duì)于人教版高中《化學(xué)1》（必修）中“氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)”[1]人們已做了不少探究改進(jìn)[2～4]，但以往的改進(jìn)大多是基于教師的課堂演示，改進(jìn)后所用的儀器和接口較多，密封性相對(duì)較差，且操作過(guò)程冗雜，不利于學(xué)生動(dòng)手和分組實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展；有的改進(jìn)則趣味性過(guò)強(qiáng)[5]，易分散學(xué)生的注意力而影響關(guān)鍵現(xiàn)象的觀察思考，顯得華而不實(shí)。真正做到減少試劑用量、便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)鮮有報(bào)道。課堂上如何讓學(xué)生能親自體驗(yàn)噴泉的形成呢？作為一線教師，每當(dāng)教到“氨”這一內(nèi)容時(shí)，總期望解決這一困擾多年的問(wèn)題。經(jīng)反復(fù)探究終于設(shè)計(jì)出一種便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的微量化噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)課堂實(shí)踐獲得了期待已久的“尖叫聲”。

1.1 微量化噴泉裝置簡(jiǎn)介

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，因藥品和儀器的用量大，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：儀器簡(jiǎn)單、藥品用量少、安全環(huán)保。氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)，按傳統(tǒng)方法做，不僅藥品用量大、操作繁瑣、占用課堂時(shí)間多，且往往由于裝置的密封性等問(wèn)題而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，影響教學(xué)效果。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了微量化噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，使氨氣噴泉的分組實(shí)驗(yàn)在課堂上能順利開(kāi)展。

該裝置如圖1和圖2所示：取一塑料注射器，拔出針筒內(nèi)的活塞，在塑料長(zhǎng)柄的凹槽處卡一自制鐵卡（其作用是固定活塞，防止引發(fā)噴泉的負(fù)壓把塞子吸到針筒底部而無(wú)法形成噴泉），塞上活塞后，再把針頭插入橡皮塞而構(gòu)成密閉體系。

1.2 噴泉實(shí)驗(yàn)微量化設(shè)計(jì)在分組實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1.2.1 分組實(shí)驗(yàn)的藥品及儀器

首先根據(jù)學(xué)生分組情況確定藥品及儀器的數(shù)量，以48人的班級(jí)分成24個(gè)小組為例，準(zhǔn)備如下：氨氣制備裝置一套（包括吸濾瓶1個(gè)、25%～28%的濃氨水1瓶、堿石灰1瓶）、酚酞滴瓶（24個(gè)）、20mL容量的塑料針筒（24個(gè)）、自制鐵卡（24個(gè)）、軟橡皮塞（24個(gè)）、250mL燒杯（24個(gè)）。

1.2.2 分組實(shí)驗(yàn)的方法及步驟

（1）按圖2所示組裝好儀器，檢查裝置的氣密性（向上拉動(dòng)活塞，松開(kāi)后活塞又恢復(fù)到原處，表明氣密性良好）。

（2）氨氣的制備、收集：

①在通風(fēng)櫥中把適量的濃氨水和堿石灰分別加入分液漏斗和吸濾瓶中，打開(kāi)分液漏斗活塞使?jié)獍彼蛪A石灰接觸反應(yīng)制備氨氣。

②拉出針筒中的活塞后，塞緊針頭，用向下排空氣法收集一針筒氨氣，收滿后塞上卡有鐵卡的活塞，得到充滿氨氣的密閉針筒。課前按此法依次收集好24個(gè)充滿氨氣的針筒。

（3）噴泉形成的操作：

①向盛有水的燒杯中滴入2～3滴酚酞。

②拔掉密閉針筒的針頭，迅速將針筒下端插入水中，保持2～3秒，少量氨氣便因分子擴(kuò)散而自動(dòng)溶解于水，產(chǎn)生負(fù)壓引發(fā)噴泉，如圖3所示。

1.3 本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

微量化噴泉裝置接口少，密封性好，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，成功率高。用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，可大大減少實(shí)驗(yàn)儀器、節(jié)約化學(xué)試劑，便于教師課前準(zhǔn)備。其突出優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了化學(xué)試劑的微量化，使分組實(shí)驗(yàn)的試劑耗量大幅下降，全班分組實(shí)驗(yàn)的試劑總耗量與原來(lái)一次演示實(shí)驗(yàn)相當(dāng)。這一改進(jìn)在市級(jí)公開(kāi)課的課堂教學(xué)實(shí)踐中得到了同行們的贊賞，全班同學(xué)都親自體驗(yàn)了噴泉的形成過(guò)程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在1分鐘左右即完成，大大節(jié)省了課堂時(shí)間，提高了教學(xué)效率。用HCl代替氨氣，本裝置也可用于 HCl的噴泉實(shí)驗(yàn)，若把燒杯中的H2O換成NaOH水溶液，甚至可以做CO2、Cl2的噴泉實(shí)驗(yàn)。

2 反應(yīng)熱實(shí)驗(yàn)裝置的外顯化設(shè)計(jì)

反應(yīng)熱實(shí)驗(yàn)，尤其是熱量變化比較小的化學(xué)反應(yīng)，若裝置保溫效果差，加之外界環(huán)境溫度的影響，化學(xué)反應(yīng)的熱量變化往往就難以察覺(jué)而影響課堂教學(xué)。如人教版高中《化學(xué)2（必修）》中“水合氫氧化鋇和氯化銨的反應(yīng)”[6]，課本上是通過(guò)玻璃片上的水結(jié)冰將燒杯和玻璃片粘在一起來(lái)說(shuō)明該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。但在實(shí)際教學(xué)中存在一些問(wèn)題，如我們南方地區(qū)，氣溫較高，實(shí)驗(yàn)時(shí)玻璃片上的水不易結(jié)冰，即使加大藥品的用量，實(shí)驗(yàn)也很難成功；另外，玻璃片粘在燒杯底部也不能說(shuō)明一定是由于反應(yīng)吸熱造成的，因水的表面張力及局部氣壓的改變也會(huì)產(chǎn)生水對(duì)玻璃片的吸附作用。關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)曾有過(guò)一些報(bào)道[7，8]，即使這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中水合氫氧化鋇的用量都比較大（與課本上20克的用量相同），反應(yīng)時(shí)的熱量變化也不易被學(xué)生觀察到。鋇是第六周期的重金屬元素，一個(gè)實(shí)驗(yàn)要耗20克鋇的化合物，價(jià)貴且污染環(huán)境。如何在大大減少反應(yīng)試劑用量的同時(shí)還能明顯觀察到反應(yīng)熱的變化呢？為此我們?cè)O(shè)計(jì)了反應(yīng)熱外顯化的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)外顯方式直觀反映出熱量的變化。該裝置靈敏度較高，即使微量試劑的反應(yīng)，其熱量變化也能靈敏地顯示出來(lái)。

2.1 反應(yīng)熱外顯化裝置簡(jiǎn)介

該裝置如圖4所示，在具支試管口塞入帶有玻璃管的單孔橡皮塞，玻璃管的上端連接帶有止水夾的乳膠管（實(shí)驗(yàn)前可通過(guò)止水夾來(lái)調(diào)整體系的內(nèi)外壓強(qiáng)），用乳膠管把具支試管的支管口與直角玻璃導(dǎo)管連接，再把直角玻璃導(dǎo)管插入盛有品紅溶液的試管而構(gòu)成密閉體系。在中和熱測(cè)定保溫杯中放入一個(gè)50mL的小燒杯，蓋上中間有孔的自制圓形硬紙板，再把上述構(gòu)成密閉體系的具支試管通過(guò)硬紙板的孔插入小燒杯中，就得到了反應(yīng)熱外顯化的簡(jiǎn)易裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)在50mL的小燒杯中放入反應(yīng)物并攪拌，迅速把上述具支試管插入反應(yīng)物中，若導(dǎo)管中的品紅液面上升，說(shuō)明密閉體系內(nèi)的空氣遇冷收縮產(chǎn)生了負(fù)壓，表明該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反之則為放熱反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)熱外顯化裝置的應(yīng)用

2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

中和熱測(cè)定保溫杯、小燒杯、具支試管、試管、玻璃導(dǎo)管、玻璃棒、乳膠管、止水夾、圓形硬紙板、單孔橡皮塞、藥匙、Ba（OH）2·8H2O晶體、NH4Cl晶體、品紅溶液。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

（1）組裝裝置：按圖4組裝好儀器，檢查裝置的氣密性（夾好止水夾，手握試管，若導(dǎo)管中液面下降，表明氣密性好）。

（2）調(diào)節(jié)液面：組裝后的密閉裝置，往往發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管內(nèi)的液面明顯低于試管內(nèi)的液面（由于塞緊橡皮塞時(shí)氣壓增大引起），實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)止水夾，讓內(nèi)外大氣相通，當(dāng)玻璃導(dǎo)管內(nèi)外的液面相平后，再夾好止水夾，避免反應(yīng)前產(chǎn)生的氣柱妨礙對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

（3）放入藥品：將約1.3g Ba（OH）2·8H2O晶體與約1.5g NH4Cl晶體同時(shí)放入中和熱測(cè)定保溫杯中的50mL小燒杯內(nèi)，用玻璃棒快速攪拌，蓋上已插有具支試管的硬紙板，觀察玻璃導(dǎo)管中品紅溶液液面的變化。

（4）觀察現(xiàn)象：學(xué)生很快就可觀察到品紅溶液液面不斷地上升，在導(dǎo)管中形成了一段液柱，從而表明Ba（OH）2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的反應(yīng)吸收熱量。輕輕向上挪動(dòng)硬紙板可聞到能使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變藍(lán)的無(wú)色氣體的刺激性氣味，表明反應(yīng)產(chǎn)生了氨氣。

2.3 本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

這一反應(yīng)熱的外顯化裝置，保溫效果好、外顯變化靈敏、簡(jiǎn)單易行，不受各地環(huán)境溫度差異的影響，成功率高，品紅溶液液柱的形成更有利于學(xué)生對(duì)溫度變化的觀察。具支試管內(nèi)空氣越多，插入品紅溶液的玻璃導(dǎo)管越細(xì)，靈敏度越高，實(shí)現(xiàn)了有毒有害反應(yīng)試劑的微量化，把課本上20克的Ba（OH）2·8H2O晶體用量減到1克左右，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)環(huán)保的效果。如果不用課本上給定的化學(xué)試劑，我們還可用硝酸銨和氫氧化鈣粉末進(jìn)行吸熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，從而可以避免重金屬化合物的使用與排放。

總之，上述兩則實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)裝置的改進(jìn)，做到了化學(xué)試劑的微量化，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約試劑、注重環(huán)保的目的，在課堂教學(xué)實(shí)踐中取得了非常好的教學(xué)效果，值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：97.

[2]劉新文，王燦，葉佩玉.噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2010，（10）：12～13.

[3]陳雪泥.氨的產(chǎn)生和噴泉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2005，（7）：4～5.

[4]華文清.氨的噴泉實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2007，（9）：49.

[5]王治江，熊言林.另類(lèi)噴泉實(shí)驗(yàn)例談[J].化學(xué)教學(xué)，2003，（10）：10～11.

[6]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007：34.

[7]蒯世定，劉懷樂(lè).關(guān)于吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究[J].化學(xué)教學(xué)，2002，（5）：12～13.

[8]李靜雯，陳懿.吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（4）：53～55.