姚亮發(fā) 林師龍 鄭柳萍 張賢金

摘要： 對(duì)中學(xué)化學(xué)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微量化設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)、節(jié)約意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。從微量化、一體化角度對(duì)“銅與濃硝酸反應(yīng)”“硫在氧氣中燃燒”“銨態(tài)氮肥與堿共熱生成氨氣”等三個(gè)產(chǎn)生有害氣體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，減少了反應(yīng)物的用量，同時(shí)將敞口實(shí)驗(yàn)裝置改成密閉式體系，有效防止有害氣體對(duì)空氣的污染，既節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，又體現(xiàn)環(huán)保理念。

關(guān)鍵詞： 濃硝酸性質(zhì); 硫的燃燒; 銨態(tài)氮肥的檢驗(yàn); 微量實(shí)驗(yàn); 一體化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2020）12006403

中圖分類(lèi)號(hào)： G6338

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)微量化實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)試劑用量比常規(guī)實(shí)驗(yàn)試劑用量少，但仍使用常規(guī)儀器進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，克服了微型化實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器過(guò)小、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見(jiàn)度低的弊端[1，2]，具有污染少、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)。各版本中學(xué)化學(xué)教材中有部分實(shí)驗(yàn)裝置是敞口體系，在操作中會(huì)產(chǎn)生有害氣體。雖然很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室都建有通風(fēng)櫥，但因其數(shù)量有限，無(wú)法滿(mǎn)足多個(gè)班級(jí)同時(shí)教學(xué)，導(dǎo)致這類(lèi)實(shí)驗(yàn)通常只能在普通教室中進(jìn)行。試劑微量化實(shí)驗(yàn)可以使有害氣體的產(chǎn)生量盡可能減少，且裝置一體化能有效地處理尾氣，從而防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有害氣體的污染。本文以三個(gè)實(shí)驗(yàn)為例探討在實(shí)際教學(xué)中從環(huán)保、安全和節(jié)約的角度進(jìn)行微量化、一體化的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新，不僅可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，還可以培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保和安全意識(shí)。

1銅與濃硝酸反應(yīng)

1.1問(wèn)題背景

魯科版高中教材《化學(xué)1》中“銅與濃硝酸反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)裝置是敞口設(shè)計(jì)的，在反應(yīng)開(kāi)始后，因銅片浸泡在濃硝酸中，控制反應(yīng)停止的操作不太方便，使得反應(yīng)生成的NO2難以被NaOH溶液完全吸收，從而造成空氣污染。

1.2設(shè)計(jì)思路

有關(guān)銅與濃硝酸反應(yīng)的改進(jìn)已有報(bào)道[3]，筆者將反應(yīng)裝置和尾氣處理裝置有機(jī)整合，從減少反應(yīng)物的量、防止生成的NO2逸散以及控制反應(yīng)的發(fā)生和停止的角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究改進(jìn)，設(shè)計(jì)了更符合環(huán)保理念的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置能隨時(shí)控制反應(yīng)進(jìn)行與停止，防止

多余NO2的產(chǎn)生，集微量化和一體化等優(yōu)點(diǎn)，使裝置更簡(jiǎn)約，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，減少了環(huán)境污染，既適合課堂演示，又可以讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)儀器與藥品： 50mL容量的小廣口瓶、3mL容量小塑料杯、濃硝酸、1%的NaOH溶液、粗銅絲（裝置如圖1所示）

1.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及關(guān)鍵點(diǎn)

（1） 先在小廣口瓶中加入4mL 1%的NaOH溶液，用滴管取1mL濃硝酸加入小塑料杯中，用鑷子將小塑料杯小心放進(jìn)裝有NaOH溶液的小廣口瓶中。

（2） 將帶有粗銅絲（銅絲下端繞成1圈螺旋狀，不要多繞，防止反應(yīng)太劇烈）軟膠塞塞緊小廣口瓶，粗銅絲下端伸到小塑料杯口，先不要與濃硝酸接觸。

（3） 往下推動(dòng)粗銅絲，使粗銅絲下端浸入小塑料杯濃硝酸里，可觀察到銅絲表面有氣泡產(chǎn)生，紅棕色氣體從小塑料杯口向外擴(kuò)散，小塑料杯中的濃硝酸變?yōu)榫G色。

（4） 紅棕色氣體產(chǎn)生后，立即往上提粗銅絲，使粗銅絲與小塑料杯的濃硝酸脫離，反應(yīng)立即停止進(jìn)行。

（5） 靜置，可觀察到小廣口瓶中紅棕色氣體逐漸變淡，一段時(shí)間后紅棕色氣體全部消失。

1.4裝置創(chuàng)新點(diǎn)

該裝置采用微量化、一體化設(shè)計(jì)[4]，反應(yīng)和尾氣處理都在密閉容器中進(jìn)行，有效防止NO2氣體的逸散，減少空氣污染;藥品用量少，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生和停止;因反應(yīng)生成的NO2氣體會(huì)較快被小廣口瓶中的NaOH溶液吸收，不用再設(shè)計(jì)氣球收集尾氣等裝置。

2硫在氧氣中燃燒

2.1問(wèn)題背景

人教版九年級(jí)教材《化學(xué)（上冊(cè)）》中“氧氣性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)23“硫在氧氣中燃燒”的實(shí)驗(yàn)操作是： 用燃燒匙裝少量硫粉，先在空氣中點(diǎn)燃硫粉，硫粉燃燒后，將燃燒匙伸入集滿(mǎn)氧氣的集氣瓶中，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象。在課堂上演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然已在集氣瓶中裝少量水，但由于該實(shí)驗(yàn)是敞口進(jìn)行的，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的SO2逸散到教室中，對(duì)空氣造成了污染。SO2是空氣中有害氣體之一，故該敞口設(shè)計(jì)不符合環(huán)保理念。學(xué)生對(duì)硫在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)特別感興趣，按照教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)只適合于教師演示實(shí)驗(yàn)，不適合用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

2.2設(shè)計(jì)思路

雖然已有不少同仁對(duì)硫在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，但筆者從反應(yīng)物的用量和防止SO2逸散的角度對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，采用微量化和一體化思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，能有效防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SO2逸散到空氣中造成污染，體現(xiàn)環(huán)保理念。該裝置既適合教師演示實(shí)驗(yàn)，也滿(mǎn)足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的要求。

實(shí)驗(yàn)儀器與藥品： 礦泉水瓶（500mL）、集氣瓶（125mL）、培養(yǎng)皿（30mL）、用酒精噴燈加工成簡(jiǎn)易小燃燒匙的玻璃棒、硫粉、1%的NaOH溶液（裝置如圖2所示）

2.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及關(guān)鍵點(diǎn)

（1） 取1個(gè)500mL的礦泉水瓶，從底部五分之一處切開(kāi)，留上部分。

（2） 用排水法收集1瓶氧氣，瓶底預(yù)留少量水，將集氣瓶放在培養(yǎng)皿上，在培養(yǎng)皿中慢慢倒入10mL左右1%的NaOH稀溶液，注意不要讓溶液濺出來(lái)。

（3） 先用酒精噴燈將玻璃棒一端加工成簡(jiǎn)易小燃燒匙，在加工成的簡(jiǎn)易小燃燒匙中放入約0.2g硫粉，用酒精燈點(diǎn)燃燃燒匙中的硫粉，待硫粉燃燒后，將帶有軟膠塞的玻璃棒伸入礦泉水瓶并塞緊瓶口，移走集氣瓶玻璃片，將玻璃棒伸入集氣瓶中，使帶有玻璃棒的無(wú)底礦泉水瓶套在集氣瓶外（見(jiàn)圖2）。

（4） 觀察到硫粉劇烈燃燒起來(lái)，產(chǎn)生明亮的藍(lán)紫色火焰，因整個(gè)反應(yīng)在一個(gè)密閉的體系中進(jìn)行，且采用微量化設(shè)計(jì)，生成的SO2被NaOH稀溶液吸收，不會(huì)逸散到礦泉水瓶外，避免對(duì)空氣造成污染，體現(xiàn)了環(huán)保理念。

2.4裝置創(chuàng)新點(diǎn)

該微量化實(shí)驗(yàn)將常規(guī)燃燒匙改成玻璃棒加工制成的簡(jiǎn)易、透明的燃燒匙，只需消耗0.2g左右的硫粉。用500mL規(guī)格的無(wú)底礦泉水瓶套在集氣瓶外，且培養(yǎng)皿中的NaOH稀溶液又起到液封作用，使整個(gè)反應(yīng)處在一個(gè)密閉的體系中，能有效防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SO2逸散到空氣中，避免了對(duì)環(huán)境的污染，培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

3銨態(tài)氮肥與堿共熱生成氨氣

3.1問(wèn)題背景

滬教版九年級(jí)教材《化學(xué)（上冊(cè)）》中“銨態(tài)氮肥與堿共熱生成氨氣”的實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的： 用酒精燈加熱（NH4）2SO4固體和NaOH溶液的混合物，用紅色石蕊試紙檢驗(yàn)氨氣的生成。但因其是敞口設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生成強(qiáng)刺激性氣味的氨氣逸散到空氣中造成污染，坐在前排的學(xué)生感受特別明顯。

3.2設(shè)計(jì)思路

從減少氨氣生成的量和防止氨氣逸散的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用微量化和一體化設(shè)計(jì)思路，使改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置符合環(huán)保理念，有效防止了氨氣的逸散和污染。改進(jìn)后的裝置既適合于教師演示實(shí)驗(yàn)，又可滿(mǎn)足學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的需要，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)儀器與藥品： 鐵架臺(tái)、雙聯(lián)試管（18mm×160mm）、注射器（1mL）、酒精燈、紅色石蕊試紙、棉花、5%的NaOH溶液、（NH4）2SO4固體（裝置如圖3所示）

3.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及關(guān)鍵點(diǎn)

（1） 用藥匙小頭的一端取0.2g左右的（NH4）2SO4固體裝入雙聯(lián)試管中，將其豎直固定在鐵架臺(tái)上。用1mL的注射器吸取0.25mL 5%的NaOH溶液。

（2） 在裝有（NH4）2SO4固體的試管壁的中上部并排粘貼兩張用水潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙（以剛好潤(rùn)濕為宜，防止水太多造成試紙下滑），將帶注射器的軟膠塞塞緊試管，在另一邊的空試管口放一團(tuán)用水浸潤(rùn)過(guò)的棉花團(tuán)。

（3） 輕推注射器，使注射器中的NaOH溶液滴入試管中，點(diǎn)燃酒精燈，先對(duì)裝有（NH4）2SO4固體的試管進(jìn)行預(yù)熱，然后再加熱。

（4） 當(dāng)觀察到試管底部有氣泡產(chǎn)生，試管壁上潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙變藍(lán)色后及時(shí)移走酒精燈。說(shuō)明（NH4）2SO4固體與NaOH溶液混合共熱后放出氨氣，從另一端試管中逸出的多余氨氣被試管口濕潤(rùn)棉花團(tuán)的水吸收，避免了對(duì)環(huán)境的污染。

3.4裝置創(chuàng)新點(diǎn)

該裝置采用微量化環(huán)保型設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象明顯，能有效防止氨氣的逸散，減少空氣污染，實(shí)用性強(qiáng)，既適合課堂演示也可以用作學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，以上3個(gè)中學(xué)化學(xué)教材實(shí)驗(yàn)的微量化環(huán)保型改進(jìn)案例，操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，不僅可以節(jié)約化學(xué)藥品，還能有效減少污染物的產(chǎn)生，可作為常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，有利于培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)約意識(shí)、環(huán)保意識(shí)、安全意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]馬東， 張賢金. 硝酸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （7）： 60～63.

[4]姚亮發(fā)， 林師龍， 張賢金. 中學(xué)化學(xué)教材中敞口實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （10）： 52～54.