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中图分类号:G633.8 文献标识码:A 文章编号:1992-7711(2017)02-0078
人教版《高中化学(必修1)》中设计了氨气的喷泉实验(如图1所示),在干燥的圆底烧瓶里充满氨,用带有玻璃管和滴管(滴管里面预先吸入水)的塞子塞紧瓶口。倒置烧瓶,使玻璃管插入盛有水的烧杯(预先在水里滴入少量酚酞溶液)。轻轻挤压滴管,使少量水进入烧瓶。再打开下方止水夹,形成红色的喷泉!
该实验构思巧妙,现象新奇有趣,能吸引学生的注意,极大地激起学生的好奇心和学习热情!但是该实验也有一些值得改进之处:
1. 氨气的制备问题
笔者以“你最常用的氨气的制备方法”为题,与本市20位高中化学教师进行了交流访谈,并做了相应记录。统计后,笔者发现:教师最常用的氨气的制备方法是加热浓氨水快速制备氨气。具体方法如下:在一个干燥的圆底烧瓶鹊稳爰傅闻ò彼,用橡皮塞轻轻塞住瓶口,在酒精灯的火焰上加热,当瓶口的塞子崩开时,氨气即集满,立即按图1组装装置进行实验。
笔者认为:此法制备氨气没有按照教材中的氨气实验室制法进行氨气的制备且验满方式不规范。在加热浓氨水后,烧瓶内部也不再是干燥的。氨气有毒,逸出会染空气,不符合绿色环保理念,更会刺激实验者的眼、口、鼻,引起短暂不适。
2. 实验装置不能重复利用。每做一次实验就需更换一个干燥的圆底烧瓶;反复拆装实验装置十分不便,带尖嘴的长导管易受损。
一、实验改进目的
将喷泉实验的装置固定化,流程规范化,操作简单化,使之成为标准化、集成化的一套完整的实验装置。
二、实验仪器及试剂
1. 仪器
试管、球形干燥管、圆底烧瓶、漏斗、三通导管、注射器、烧杯、铁架台、酒精灯、导管和止水夹若干
2. 试剂
氯化铵固体、氢氧化钙固体、碱石灰、酚酞试液、蒸馏水、红色石蕊试纸。
三、实验装置
按图2组成装置。其中,试管内加入已混合均匀的氢氧化钠固体和氯化铵固体;球形干燥管内装入碱石灰;注射器内吸入少量蒸馏水;烧杯中盛有蒸馏水。
四、实验操作
1. 组装仪器并检验气密性。
2. 关闭K1、K4,打开K2、K3、K5;向大烧杯内滴入几滴酚酞试液。
3. 点燃酒精灯,加热试管内固体;在K5处用镊子夹持一张湿润的红色石蕊试纸,待试纸变蓝后,关闭K2、K3、K5,打开K1、K4后熄灭酒精灯。
4. 将注射器内的水挤入圆底烧瓶内,再打开K3,引发喷泉实验。
5. 待喷泉实验结束后,移开大烧杯后打开K5,将圆底烧瓶内的水排空。
6. 更换试管内的药品,大烧杯内的蒸馏水,注射器内重新吸入蒸馏水,反复进行演示。
五、实验装置的创新点和优点
1. 创新点
(1)颠覆了圆底烧瓶必须干燥才能做喷泉实验的传统观念
在教学过程中,教师会反复强调氨气极易溶于水,而学生容易产生错误的观点:只要有氨气就不能有水,如果圆底烧瓶是湿润的,肯定做不成喷泉实验。虽然氨气在水中的溶解度很大,但是依然存在氨气的饱和溶液,即饱和氨水!也就是说,本实验中可以反复使用的湿润的圆底烧瓶中已经存在了饱和氨水,不会再吸收新制备出的氨气!
(2)实验操作简单,装置固定。只需打开和关闭相应止水夹,不需要拆装仪器
整个实验装置组装好之后,在进行实验时,教师只需要通过打开和关闭相应止水夹,就可以控制气流方向和水流方向。具体操作:制备氨气时,关闭K1、K4,打开K2、K3、K5;进行喷泉实验时,关闭K2、K3、K5,打开K1、K4,最后打开K3;排水时,打开K5即可。
(3)可重复性高。适时更换药品即可反复地进行实验
更换试管内的氯化铵和氢氧化钙固体混合物,并连接固定好试管,即可马上再次进行实验。
(4)整个实验过程中几乎没有氨气外泄,安全环保
在装置中添加了倒置的小漏斗,可以吸收装置中多余的氨气,避免使之排放到空气中,污染空气,引起实验者的不适。
2. 优点
(1)装置的集成度高,集氨气的制备,干燥、验满,收集、性质检验及尾气处理于一体
一体化的实验设计,可以让学生对氨气的制备和性质有整体的感知,避免了学习是知识碎片化,有利于学生的有效学习。
(2)实验方法标准化,严格按照教材中的氨气制备方法和验满方法进行
氨气的实验室制法和验满方法是高中化学必修一当中的重要知识,也是考查的重点。本实验采用教材中的制备方法,避免了知识的混乱;整合了验满的方法,现象明显,可以给学生留下深刻的印象。
(3)有助于学生认识防倒吸装置,加深绿色环保的科学理念
在教学中教师刻意强调氨气在水中的溶解度很大,极易发生倒吸,学生会以为氨气的倒吸是很可怕的,会产生畏难情绪,害怕爆炸。笔者在装置中整合了防倒吸装置,实验过程中,学生可以很明显地观察到小漏斗在水面上下浮动,并不会倒吸到整个装置中,确立了对氨气性质的客观认知,同时对化学实验的绿色环保理念起到了应有的强调作用。
六、结束语
化学实验是学生认识化学物质、了解化学性质和化学反应的重要途径。本实验的改进装置现象明显、设计巧妙、思维缜密、完整流畅,体现了实验探究与创新意识,弘扬了科学精神与社会责任,为培养学生的化学核心素养贡献一份力量。
参考文献:
[1] 课程教材研究所,化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书化学必修1[A].(第3版).北京:人民教育出版社,2007.
[2] 华文清.氨的喷泉实验创新设计[J].化学教育,2007(9).
[3] 刘新文,王 灿,叶佩玉.喷泉实验装置的改进[J].化学教学,2010(10).
[4] 马云云.对氨喷泉实验装置的改进[J].中国现代教育装备,2015(7).
一、喷泉实验形成的原理
喷泉实验是一种宏观的液体喷涌现象,既有天然的,也有人为的它的形成主要是因为容器内外存在较大的压强差在这种压强差的作用下,液体快速流动,通过带有尖嘴的导管喷出来,即形成喷泉
二、喷泉实验形成的条件分析
从原理上分析使容器内外产生较大的压强差是形成喷泉的重要条件,通常有以下两种请况
压强内小外大
即容器内压强迅速减小,与容器外形成较大的压强差一般是容器内的气体极易溶于水或容器内气体易与溶液中的溶质发生化学反应因此当外部的水或溶液接触容器内气体时,由于气体大量溶解或与溶液中的溶质发生化学反应,使容器内气体迅速减少,从而使容器内气压迅速降低,在这种压强差的作用下外部液体迅速进入容器,通过尖嘴导管喷出,形成喷泉根据喷泉形成的过程和原理,下表中的气体与吸收剂作用就能形成喷泉
2压强内大外小
即容器内压强增大,与容器外形成较大的压强差容器内液体由于受热挥发(如浓盐酸、浓氨水、酒精等易挥发液体)或由于发生化学反应,容器内产生大量气体,使容器内压强迅速增大,促使容器内液体迅速向外流动,从而形成喷泉如喷雾器、人造喷泉等就是利用这个原理形成的
三、喷泉实验成败的三个关键
气体在吸收剂中被吸收的既快又多
如上表中所列气体与吸收剂作用,均能使容器内气体迅速被吸收并导致容器内压强减小,而引发喷泉或容器内产生大量气体又快又多,使容器内压强迅速增大,而引发喷泉
2装置气密性要好
只有良好的气密性,才能保持容器内外已形成的较大的压强差,促使液体快速流动,才能保证喷泉的形成装置气密性差,使容器内外的压强差减小,则不能形成喷泉
3烧瓶中气体的纯度大,浓度足够高
为此收集气体时,特别是极易溶于水的气体,烧瓶必须干燥,用排空气法收集前最好先干燥再收集,且气体的量要充足,才能保证气体的浓度大对某些在水中溶解度不大的气体,也可用排饱和溶液法收集,(如Cl2、SO2、CO2等)但气体无法干燥,由于气体浓度大,吸收剂吸收的快,也可引发喷泉
四、喷泉实验典型例题解
喷泉实验原理与形成的考查
例 据图回答下列问题
()图为中学教学中所用的喷泉实验装置在烧瓶中充满干燥气体,胶头滴管及烧杯中分别盛有液体,下列组合中不可能形成喷泉的是(填序号)
(2)某学生积极思考产生喷泉的其它办法设计图2所示的装置在图2的锥形瓶中,分别加入足量的下列物质,反应后可能产生喷泉的是(填序号)
ACaCO3和稀2SO4
BN4CO3和稀Cl
CZn和稀Cl
在图2锥形瓶外放一水槽,锥形瓶中加入酒精,水槽中加入冷水后,再加入足量的下列物质结果也产生了喷泉,水槽中加入的物质可以是
A浓2SO4 B食盐 C硝酸铵 D硫酸铜
加入该物质能产生喷泉的原因是
(3)比较图和图2的两套装置,从产生喷泉的原理分析,二者的不同点在于
解析 ()中Cl和N3极易容于水、CO2与NaO反应均使烧瓶内压强迅速减小,烧瓶内外形成较大的压强差,故A、C、 D能形成喷泉,而B中Cl2在水中的溶解度不大不能使烧瓶内压强迅速减小,故Cl2和2O不能形成喷泉,故选B
(2)图2锥形瓶中,N4CO3与稀Cl、Zn和稀Cl反应产生大量气体,均可使锥形瓶内压强增大,可形成喷泉,而CaCO3和稀2SO4产生的CO2有限,最终反应停止,不能使锥形瓶内压强迅速增大,故不能形成喷泉故选B、C
瓶外水槽中的冷水中,加入食盐和CuSO4均不能使冷水的温度有所变化,加入N4NO3使冷水温度更低,也不能促使酒精挥发,而加入浓2SO4时,因溶解放出大量的热,使乙酸挥发,瓶中压强增大,而形成喷泉,故选A
(3)和2形成喷泉的不同处是中压强内小外大,2中是压强内大外小
2气体的制取与喷泉实验操作的的联合考查
例2 制取氨气并完成喷泉实验(图中夹持装置均已略去)
()写出实验制取氨气的化学方程式:
(2)收集氨气应使用法,要得到干燥的氨气可选用做干燥剂
(3)如图3装置进行喷泉实验上部烧瓶已装满干燥氨气引发水喷发的操作是该实验的原理是
(4)如果只提供如图4的装置,说说所引发喷泉的方法:
()某学生试图用图3做喷泉实验,结果失败试分析实验失败的原因
解析 近年来高考试题加强了对学生实验能力的考查本题将氨水的制取、喷泉实验的操作及对实验结果的分析评价,能较好地考查学生的实验操作能力和应用知识能力
答案 ()2N4Cl+Ca(O)2CaCl2+2N3+22O
(2)向下排空气法、 碱石灰
(3)打开止水夹、挤出胶头滴管中的水、氨极易溶解于水、使烧瓶内压强迅速减小
(4)打开止水夹,用手(或热毛巾)将烧瓶捂热,氨气受热膨胀,赶出玻璃管内的空气,氨气与水接触,即发生喷泉()实验失败的原因可能有①收集氨气时空气未排尽②装置漏气③烧瓶潮湿④滴入烧瓶里的水太少
3喷泉实验与物质性质联袂考查
例3 A是一种白色晶体,它与浓NaO溶液共热, 放出无色气体B用圆底烧瓶收集干燥的B,按图所示装置仪器挤压滴管的胶头时,可得蓝色喷泉;A与浓2SO4微热,放出无色气体C用圆底烧瓶收集干燥的C,仍按图所示装置实验,
4喷泉实验与化学计算联袂考查
例4 在标准情况下,在三个干燥的烧瓶内分别装有干燥纯净的N3、含一半空气的Cl气体、NO2和O2的混合气体[V(NO2)∶V(O2)=4∶7]然后分别做喷泉实验,三个烧瓶中所得溶液的物质的量浓度之比为
A2∶∶2 B∶∶4 C∶∶ D无法确定
解析 N3、Cl溶于水后,溶液的体积即是溶解的气体体积故c=
故选答案B
关键词:喷泉实验;活性炭;气体
文章编号:1008-0546(2012)11-0097-01 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2012.11.042
现在房子的装修大部分使用化工材料,装修之后产生的有害气体可能会影响到人们的健康,如:混凝土、防火板产生氨气;人造板材家具、壁纸、地毯产生甲醛;油漆、合成纤维产生苯等。于是市场上有用于吸附这些有害气体的活性炭出售,某品牌就是其中的品牌之一,该产品的说明书上:通过CTC>100%,比表面积:1500m2/g来反映其吸附能力强,但是测定这两个数据需要的实验仪器和知识贮备都较高,不符合高中化学实验的要求,于是我选用大家熟知的喷泉实验来定性分析这种活性炭的吸附能力。
一、实验原理
活性炭对乙醚蒸汽、氨气、二氧化氮、甲醛、一氧化碳等气体有较强的吸附作用。当活性炭把圆底烧瓶中的气体吸附之后烧瓶中的气压下降,外界的大气压将烧杯中的液体压入烧瓶而出现喷泉,以喷泉出现的速度来判断其吸附能力,因为活性炭吸附能力越强,喷泉出现的越快。
二、实验材料
某品牌活性炭、甲醛液体、氨水、四氯化碳、台秤、铁架台、圆底烧瓶(500mL)、烧杯(100mL)
三、喷泉实验
(1)按图1组装实验仪器,向位于水浴中的干燥烧瓶中加入10mL氨水,用30℃的水浴对氨水加热2min,使从烘箱中拿出来的250mL烧瓶迅速充满氨气,立刻投入0.1g活性炭,马上塞紧带有尖嘴玻璃管的橡皮塞(橡皮塞上的尖嘴玻璃管深入到烧瓶中的长度约为3cm,防止活性炭将其阻塞,乳胶管被止水夹夹紧),摇一下。按图2组装仪器,在烧杯中加入四氯化碳溶液至浸没玻璃管下端。打开止水夹,烧瓶中出现喷泉现象,四氯化碳液体很快充满烧瓶。
(2)按照上述方法使圆底烧瓶中充满甲醛气体,装置2烧杯中加水至浸没玻璃管的下端,按照上面的步骤进行实验操作,出现喷泉,烧瓶中很快充满水。
四、实验分析
关键词: 实验改进 化学理论 创新能力 发散思维 知识迁移
一、氨气喷泉实验的改进
必修教材中的喷泉实验是先收集满满一烧瓶干燥的氨气,并且要求所用烧瓶必须干燥,一旦烧瓶湿润,就要换一个干燥的烧瓶,否则实验就会不成功。改进方法:采用的装置与课本一致,但药品使用不同。操作方法,向气密性好的烧瓶中放入固体氢氧化钠,然后迅速加入少量的浓氨水,盖上塞子,固定好烧瓶,挤压胶头滴管中的水,立即出现喷泉现象。这样改进后,做喷泉实验可以不用考虑烧瓶是否干燥,因为湿润的烧瓶,同样可以做喷泉实验。而且可以不用事先收集一烧瓶的氨气,做喷泉实验的氨气可以即用即取,操作起来很方便。在对此实验改进过程中与学生一起展开探讨:传统的氨气的喷泉实验,通常用固+固加热的制气装置获得氨气,反应原理即Ca(OH)■+2NH■Cl■CaCl■+2NH■+2H■O,改进后的实验是利用浓氨水+固体NaOH这一原理制得氨气的,NaOH溶于水放热,促使氨水分解,且OH■浓度的增大有利于NH■的生成。学生会思考:1.利用浓氨水+固体NaOH这一原理制得氨气该用什么样的制气装置?2.这样制取氨气利用什么化学反应原理?3.打开橡皮管上的止水夹,挤压胶头滴管,为什么会形成喷泉?然后,我们进一步引导:如果去掉胶头滴管打开止水夹,则可以用什么方法让喷泉形成?学生经过讨论和分析,得出:用热毛巾“捂热”烧瓶,氨气受热膨胀,通过导管与水接触,即产生喷泉,或用冰毛巾“冷敷”烧瓶,使水进入瓶内,烧瓶内氨气溶于水。这样的改进探讨甚至在高三总复习阶段展开都十分具有意义,因为涉及了喷泉实验的原理――利用溶解性形成烧瓶内外压力差,几个常见的制气装置的应用,还有氨气的几种实验室制法,甚至化学反应原理如平衡移动的原理的复习。复习起来饱满而有张力,从实验装置、实验原理到化学反应原理一气呵成,不仅能提高学生知识迁移的能力,而且能帮助学生加深对化学理论的理解。
二、铜、锌―稀硫酸原电池实验改进
铜、锌―稀硫酸原电池实验中,理论上铜片上有气泡,锌片上没有气泡,但是实验中,由于锌片的纯度低,锌片上形成大量微小原电池,因此锌片上有大量气泡,而铜片上几乎看不见气泡,虽然通过电流计可以检测到电流,但是实验的直观性大打折扣,影响实验效果。
根据原电池原理,铜、锌在一定浓度的稀硫酸中形成的电势差是一个定值,但是实验中铜片上气泡少,说明通过溶液的电流低,也就说明溶液的导电性差。通过增加溶液的导电性提高溶液的电流,但如果增加硫酸的浓度,实验中随着硫酸的浓度增大,溶液的导电性增强,电流强度增大,铜片上气泡逐渐增多,但是锌片上此时气泡增加得更多,锌片上的气泡扩散到铜片上,影响铜片上气泡的观察。另外,如果减小铜片锌片电极间的距离,就可以观察到铜片上气泡增加,但是此时锌片与铜片距离较近,锌片上的气泡干扰铜片上气泡的观察。所以,我们做出以下改进:
往溶液中加入固体食盐或者固体的硫酸钾等。实验中,随着食盐浓度的增加,铜片上的气泡逐渐增多,此时测定电流发现电流逐渐增大。通过硫酸溶液中加入氯化钠,极大地提高了实验的直观性。实验结果表明,在铜、锌―稀硫酸原电池中实验中加入氯化钠固体或者固体的硫酸钾等,现象更明显直观。学生在反复探讨改进此实验的过程中,同时也解决许多疑问:1.为什么观察到锌片上有大量气泡,而铜片上几乎看不见气泡?2.为什么制取氢气时用稀硫酸与粗锌反应比与纯锌反应快?3.为什么锌片与铜片距离靠较近时,气泡会明显增多?为什么往溶液中加入固体食盐或者固体的硫酸钾,现象更加明显直观?通过探讨,学生会问,会思,会悟,更有一种拨云见日、豁然开朗的感觉。整个过程中不仅促进了学生注意力的集中,而且激发了学生对实验现象的本质进行探索式的分析,培养了学生科学严谨的态度,使学生的化学学科素养得到了一定的提高。
三、浓硫酸的“黑面包”实验
传统的浓硫酸的“黑面包”实验是这样进行的:在个大号的实验杯中加些蔗糖(已研磨细),不要加太多,适量就好。之后将一个玻璃棒竖着放在糖的中间的位置。再缓缓倒入浓硫酸(98%),倒的时候一定要小心,要沿着杯沿倒,让硫酸沿着杯壁缓缓流下。还有玻璃棒一直要竖着,这样黑面包做好了也容易取出。加的硫酸不要太多,加多了没用,加少了不行。看着蔗糖表面都快发黑了就差不多了。这样做的不足之处是:实验产物中的SO■很不利于师生的身体健康,也不符合化学教育中环境保护的初衷,并且本实验只让学生观察到浓硫酸使蔗糖炭化,并且膨松成“黑面包”,而未让学生明白气体的成分。我们引导学生展开探讨:1.推测产物成分并如何验证产物成分?2.如何处理有毒气体?3.如何改进实验装置实现验证产物成分及处理有毒气体?现将该实验改进如下。实验步骤:①将装置连接好,检查气密性。②在圆底烧瓶中放入已研细的蔗糖约10g滴人1至2mL水,然后将其余药品按下图装置装入瓶中。③将分液漏斗中的浓硫酸逐滴加入圆底烧瓶。实验现象:可观察到圆底烧瓶中的蔗糖由白一黄一棕黄一黑,最后炭化,并且膨松上胀成疏松多孔状黑色物质,像“黑面包”一样。同时可看到品红溶液逐渐变为无色,可证明有SO■生成。酸性高锰酸钾溶液颜色由深到浅,可证明已将剩余SO■除去。品红溶液无变化,可证明SO■已除尽。澄清石灰水变浑浊可证明有CO■生成。实验特点:1.现象明显,可见度大。圆底烧瓶中可明显观察到蔗糖炭化的一系列过程,还可观察到品红溶液的褪色和澄清石灰水变浑浊等现象。2.实验连续,综合性强。充分展示浓硫酸的吸水性、脱水性和强氧化性,以及SO■的漂白性、还原性等。3.节约用品,操作方便。实验中将浓硫酸改用滴加方式既安全又能控制用量。4.防止污染,保护环境。本实验中的SO■被吸收处理,有利于环境保护,并能对学生进行环保教育。总之,展开这样的改进探讨有许多好处,可以挖出许多内容。在参与的过程中学生能详细掌握浓硫酸和二氧化硫的性质并学会运用,然后思考:1.酸性高锰酸钾溶液颜色由深到浅但并未完全褪去,为什么高锰酸钾要过量?2.为什么用澄清石灰水变证明有CO■之前必须除尽SO■?怎样证明SO■是否完全除尽?3.如何区别CO■和SO■气体?这样做,学生学会了严谨地对待化学实验,提高了逻辑思维能力和实验结果的分析能力。
“听过的很快会忘记,看过的有一些印象,做过的才能理解、掌握。”这句话说明,学生只有亲自操作,经历了探索知识的过程,对知识的理解才能深刻。这样的实验改进探讨为学生提供了主动参与、交流合作的机会,不仅学生的实验设计能力、操作能力、观察能力、结果分析能力有了较大的提高,而且大大提高了化学理论教学的成效。化学实验是化学教学的灵魂和支柱,也是提高人才科学素质,特别是创新思维能力的重要载体。充分利用实验,适时引导学生探讨实验改进,可以有效培养学生的创新意识,提高学生的创新思维素质。这也是新课程改革的目标之一。同时也能更好地服务于教师的课堂教学,更科学地用好教材实验,并将实验教学的功能与价值发挥到最大,也有利于激发教师的教研兴趣,形成学习与创新型的教师队伍,提高教师队伍的综合素养。
参考文献:
[1]李伟.几个化学反应原理实验的改进[J].化学教与学,2015(6):93-95.
[2]蔡一霞.新课程下提高化学实验教学有效性的策略[J].实验教学研究,2015(6):87-89.
关键词:绿色化学;微型仪器;氨气;二氧化硫
文章编号:1008-0546(2016)04-0094-03 中图分类号:G632.41 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.036
绿色化学是近年来发展起来的一门新兴学科,又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学等。绿色化学的目标在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物,最终实现零排放和零污染,是一门从源头上阻止污染的化学。世界各国都十分重视绿色化学的教育和发展,绿色化学已经成为现代化学教育的主要发展方向[1-2]。中学化学实验是中学生学习化学学科知识的重要途径,是学生可以通过感官直接感知的实践过程,学生在实验过程中,能进一步领悟绿色化学的宗旨,并逐步培养绿色化学的意识。但是中学化学教科书对化学药品用量没有明确规定,有的表述比较模糊。在做分组实验时,有相当一部分学生取用药品喜欢“多多益善”,不仅浪费了药品,而且由化学实验产生的废水、废气、废渣等也会对周围环境造成不同程度的污染。如:在做Cl2制备与性质、卤素的性质、Cu和浓H2SO4反应等学生分组实验时,往往会有有毒气体进入空气中,不仅污染空气,而且直接影响师生健康。因此,在中学实施绿色化学实验教育,无论从中学生的科学素质的培养,还是从生活环境的责任感与绿色化学理念的形成等方面,都是十分必要的。
高中化学实验绿色化、微型化[3-6]就是在高中化学实验教学中以绿色化学实验的核心理念为指导,对常规实验的不合理、安全性能低、污染严重等方面加以改进,达到绿色化学的减量、回收、重复使用、尽可能密闭可控、处理尾气诸方面的要求,实现“尽可能小剂量、省资源、少污染、低成本” 的实验室实验,进而培养学生良好的化学素养,以实现课程教学目标。
化学实验绿色化的研究,涉及到实验指导思想、实验内容选择、实验仪器的研制、化学反应过程、实验装置和步骤的设计等实验方面的研究。如何在实际教学中,结合当前素质教育,把绿色化学绿色新概念、新思想、新要求教育贯穿于中学化学教学的全过程之中,是一个新的研究课题。作为中学化学老师,能够就地取材,因繁就简,开发和创新教材实验[7],对中学生是最好的鼓励和引领。
一、现有教学实验的不足之处
中学化学教学中,有很多性质实验,用传统的实验方法和仪器设备实验效果并不明显且缺乏绿色化学意识,例如:人教版《必修1》将氨气性质的实验分成氨气与水的喷泉实验、氨气与酸的玻璃棒实验两个部分来进行的。但在实际操作中存在以下不足:
①喷泉实验所用的氨气采用常规的实验室制法,若现场收集,则耗时长,且氨气易泄漏而造成污染;若课前制好备用,则常因保存不善导致实验失败。
②NH3与浓盐酸的玻璃棒实验,若为教师演示,则白烟过淡,且保留时间不长,不便于学生观察;若为学生分组实验,又会因为不是在密闭条件下进行,众多学生同时实验,容易造成室内空气被污染,不利于健康。
③学生对看到的是“烟”还是“雾”存在疑问。
④容易受到风等因素的干扰,影响实验效果。
又如:二氧化硫的制取及性质实验,该实验出现在高中化学人教版《必修1》第四章第三节,是高中化学课程中非常重要的实验,内容多,难记忆。如果学生没有经过实验的亲身体会,对这些实验的印象都不深,学习也比较困难。但是该实验无论是老师演示还是让学生自己动手做,仪器都比较复杂,药品用量多,而且二氧化硫的气味难闻,具有刺激性,对身体和环境都会造成不良影响。
二、基于主流化学理念的实验改进
基于“环保、高效”以及“绿色化学”“安全化学”等理念,本文针对上述实验中存在的不足,进行了如下改进:
1. 基于“环保、高效”理念的氨气性质改进实验
将NH3的性质实验一次性完成、成功率高且不污染环境、实验器材廉价易得,不易破碎、便于学生分组实验等是本次实验改进的目的。
(1)实验用品
①器材:圆底烧瓶(250mL)或塑料洗手液瓶(250mL),分液漏斗( 50mL),三个透明软塑料瓶(如矿泉水瓶,250mL,需干燥),玻璃导管,烧杯,止水夹,少量棉花等。
②药品:氢氧化钠固体(分析纯),浓氨水,少量浓盐酸,酚酞指示剂。
(2)实验装置图
(3)操作步骤及实验现象
①瓶A内放少量NaOH固体,分液漏斗中装浓氨水;
②瓶B、瓶C均为滴有酚酞的水;
③瓶D放置一团滴有浓盐酸的棉花。
组装连接好装置后,打开止水夹K1、K3,关闭K2,旋开分液漏斗活塞,制取氨气;当看到D中出现大量白烟,C中溶液颜色很红且产生气泡缓慢后,关闭K1、K3,打开K2,挤压瓶B,将水挤入烧瓶内后松手。即可看到烧瓶内形成美丽的喷泉,同时瓶B变扁。
通过这样的改进后,我们能看到,喷泉实验中,水几乎充满整个烧瓶,瓶B被压扁,让学生很容易看到压强在此实验中的作用;瓶D的瓶壁上有大量的白色固体物附着,让学生对白烟有了直观的认识。
(4)本实验的设计亮点
①有理有据:喷泉实验的原理是利用内外压强差所形成的,而矿泉水瓶受压很容易变形,会看到很明显的现象,于是我们用废弃的矿泉水瓶组装了实验装置。
②取材方便:充分利用废弃的矿泉水瓶,材料易得且不易破碎的特点,体现废物利用,灵活处理问题的思想。
③敢于创新:矿泉水瓶盖容易打孔,且可用粘胶粘住缝隙,实验过程中,只要旋紧瓶盖气密性就会很好,避免不易在橡胶塞上打孔,且易漏气等常见问题。
④重视环保:整个实验在密闭条件下进行,避免了NH3、HCl向室内扩散,有较高的安全性,充分体现“绿色化学”。
⑤拆装方便:关键部分的连接使用胶管、止水夹,拆装方便,导管不易折断;且矿泉水瓶的盖子规格几乎都是统一的,便于更换。
⑥操作简单:无论是教师做还是学生来完成,都很容易操作,且成功率高。
⑦直观性强:无论是烧瓶内形成的喷泉,瓶B的变扁,还是瓶D中的大量白烟,抑或是烧杯中的溶液变红,现象均十分明显,使学生通过实验观察对氨气的性质有较强的感性认识;特别是压扁的矿泉水瓶能让学生深切感受到大气压的存在和氨气的极好的水溶性。
⑧安全性高:实验的主要材料为矿泉水瓶,即使实验出现误操作,也不用担心出现炸裂,溅伤人。
⑨高效性:整个实验耗时约2分钟,为喷泉实验的分析和拓展延伸腾出了更多的时间。
我们对氨气性质实验改进后,无论是教师做还是学生来完成,都很容易操作,且成功率高充分调动了学生学习的兴趣与积极性,初步落实了“用实验让化学课堂成为学生快乐的体验场”。
2. 基于“绿色化学、安全化学”理念的SO2制取及性质实验的改进
在对二氧化硫的制取及性质实验,我们采用微型实验仪器来完成这一系列实验。改进后的实验装置如图2。
(1)实验装置改进:用6孔井穴板代替了6个反应器,塑料滴管代替了分液漏斗。
(2)实验操作步骤:
①先检查气密性。在后5个井穴中装入少量水,盖好长进短出的导管塞,在第1个井穴的长导管上插入塑料滴管,挤压滴管,各井穴中均有气泡冒出,说明气密性良好。然后把水倒掉。
②滴管装浓硫酸,6个井穴分别按照表1加入所需药品。6个井穴在整个实验中的作用如表1描述。
③盖好长进短出的塞子,吸1/5滴管的浓硫酸,插入第1个井穴的长导管上,轻轻挤压滴管,反应发生了。我们可以很快看到石蕊变红,品红和高锰酸钾褪色,硫化钠溶液中有黄色的浑浊,一次性验证了二氧化硫的几种性质。
3. 实验的创新点
①使用了微型实验仪器,药品用量很小,从源头上防止了化学实验造成的污染,所以二氧化硫几乎没有造成污染,真正达到绿色、环保、健康。
②微型实验仪器成本低,体积小,操作方便,一次性把SO2的制取、酸性、漂白性、还原性、氧化性全部检验完,实验现象明显,操作简单。
③按每小组几人一套,甚至可以一人一套,可以实现“人人动手,边讲边实验”的理想化教学模式,可以使学生对化学的探究更有兴趣。
我们对二氧化硫的制取和性质实验改进后,从源头上解决了污染的问题,不用到实验室这样有通风设备的地方,就在课堂上就可以实现,操作简单,成功率高,充分调动了学生学习的兴趣与积极性,可以让学生对以前只能在习题或者课本上看到的实验现象有了直观的认识,印象深刻。
三、总结
中学化学实验是中学化学教学将理论与实践相结合的重要手段,实验易操作、实验现象明显、实验设计的合理性及严密性、实验的环保理念等对中学生正确理解和掌握知识、培养学习兴趣和科研素养、掌握实验操作、拓展思维模式等有着极其重要的作用。化学实验的绿色化创新和改进,可以调动学生学习化学的积极性和主动性,培养其对化学的兴趣,并加深对知识的理解和记忆,可以为提高课堂教学高效性提供策略和典型范例,这样的实验改进,能够轻松实现绿色化教学,让学生顺理成章接受绿色化学理念,使学生认识到,化学绝不意味着污染,更高层次的化学、对环境友好的绿色化学等待我们去学习、去探究、去发展。
参考文献
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