有毒气体的制取和性质实验装置系列化设计

浙江 成洁琼 郭田田 马志成

有毒气体的制取和性质实验装置系列化设计

浙江 成洁琼 郭田田 马志成

高中阶段，有毒气体的制备与性质是学生的必学内容，但是由于其毒性，往往给实验带来困扰，本文从实验装置系列化的角度出发，从三个角度：实验微型化角度、简化实验装置角度、整合实验装置角度介绍了5种实验装置系列化设计，为有毒气体的制取和性质实验提供了很好的思路。

实验系列化；实验微型化；简化实验装置；整合实验装置

高中阶段化学学习中，有毒气体主要有氯气、二氧化硫、氨气、二氧化氮、一氧化氮等等，它们的制取和性质，都是要求学生掌握的，但是由于它们的毒性，在教学过程中多以教师演示为主。尤其是氯气和二氧化硫，它们的性质有很多，如果教师一个个演示，就会浪费许多化学药品和试剂，同时有毒气体会泄漏在空气中，造成空气污染，影响教师和学生的身体健康。所以，使实验系列化，把若干个实验组合在同一密闭系统中进行，对尾气进行吸收处理，就是一个很好的实验思路。

在设计系列化实验时，要注意几点：首先，设计者应该清楚反应的原理，然后才能设计出合理有效的实验装置；其次，要掌握好实验药品的用量，因为系列实验的目的就是以最少的用量达到最理想的现象，我们需要让试剂达到最充分的利用；再次，整个实验装置尽量组合在同一个封闭系统中，以保证有毒气体不会泄漏逃逸，并且可以与进行性质检验的药品充分接触，获得最佳实验现象；最后，对于尾气的吸收设计要合理，这样才能培养学生良好的环境意识和绿色化思维。

本文从绿色思想出发，将有毒气体的制取和性质实验系列化，这样，在教学过程中，不仅教师可以对实验进行演示，也可以设计成为学生分组实验，让学生全程参与，可以在较短的时间内从整体掌握有毒气体的制备和性质，并且锻炼培养学生的实验能力。下面介绍几种实验装置，仅供参考。

1 从微型化角度将实验系列化

将实验微型化是实验实现绿色化的有效方法之一，这里，本人介绍两种实验装置以供参考。

1.1 用6孔井穴板和双导气管井穴塞做有毒气体的制取和性质实验

实验装置如【图1.1】所示，以氯气的制取和性质实验为例，在井穴板的孔穴 1、2、3、4、5、6中依次加入高锰酸钾溶液、湿润有色试纸、紫色石蕊溶液、溴化钠溶液、淀粉碘化钾混合液、氢氧化钠溶液。然后依次用双导气管井穴塞盖上，1号的一个孔插上装有浓盐酸的10ml注射器。实验开始，将注射器中的浓盐酸注入1号孔中，不要拿走注射器，保证封闭系统，观察实验现象。

1.2 用W形管进行有毒气体的制取和性质实验

按照实验装置【图1.2】所示，把两个W形管用胶管连接起来。同样以氯气的制取和性质实验为例，依次在2、3、4、5处加入几滴高锰酸钾溶液、紫色石蕊溶液、溴化钠溶液、淀粉碘化钾混合液，并在6处塞上浸有氢氧化钠溶液的脱脂棉。然后用胶头滴管吸取浓盐酸，从1口处加入，注意要慢慢滴加，并且胶头滴管不能离开1管口，做成封闭系统。观察实验现象。

图1.1

图1.2

这两个实验装置分别采用微型实验中常用的井穴板和W形管，试剂用量较少，而且均将有毒气体（如氯气）的制备与性质实验合并在一个密闭系统中进行，可以启发学生进行多个问题的探究。同时，由于其微型化的特点，教师还可以安排学生分组实验，让学生自己动手，仔细观察。

2 从简化装置的角度将实验系列化

有效的简化实验装置，可以节省实验药品和试剂，最小化的防止有毒气体的逸出，同时，操作起来也比较方便，这里再举两例具体说明。

2.1 巧用棉花使实验系列化

实验装置如【图2.1】所示，同样以氯气的制备和性质实验为例，有所不同的是，本实验可以利用浓硫酸溶于盐酸时放热使浓盐酸挥发制备氯化氢，氯化氢和高锰酸钾反应生成氯气，其后可以进行氯气的一系列化学性质的实验。图中a处加入少量浓硫酸；b处加入 20ml浓盐酸；1、2、3、4处的棉花分别：包有高锰酸钾固体、蘸有紫色石蕊溶液、蘸有溴化钠溶液、蘸有碘化钾溶液，c处加入20ml氢氧化钠，为尾气吸收装置。开始实验时，打开分液漏斗，缓慢滴加浓硫酸，观察现象。

本实验完成了氯气的制备、性质和尾气吸收，操作简单，多个实验同时完成。

2.2 巧用滤纸使实验系列化

实验装置如【图2.2】所示，以二氧化硫的制取和性质实验为例。图中选用40mm×200mm与18mm×180mm试管各一支，a、b、c分别为亚硫酸钠、硫酸、滴有酚酞的氢氧化钠溶液；1、2、3分别为湿润的pH试纸、滴有品红溶液的滤纸、滴有高锰酸钾溶液的滤纸。实验步骤如下：首先检查装置的气密性，然后依次装入药品，组装好仪器；之后打开分液漏斗的活塞，使硫酸缓慢流下并与亚硫酸钠粉末接触，观察实验现象；最后将注射器中滴有酚酞的氢氧化钠溶液推入大试管中，观察现象。

图2.1

图2.2

本实验将气体制备与气体的性质实验整合在一个装置中，可以有效地缩短实验演示时间，可以通过增加滤纸条、改变滴加试剂的方法进行其他气体性质的实验。该装置中制备的有毒气体不会逸出，并能直观地体现尾气吸收的效果。

3 有效整合实验装置，将实验系列化

将实验装置有效整合起来，把所有的实验融合在一个密封系统中进行也可以作为实验系列化的一个思路，下面以二氧化硫的制备和性质实验为例介绍。

实验装置如【图3.1】所示，需要的实验仪器有：500ml扁形罐头瓶（口径6cm）、100ml烧杯、10ml烧杯、5ml烧杯（4个）、20ml注射器、7cm长针头、大针头、镊子。

图3.1

首先制作实验装置，根据罐头瓶的口径选取大小合适的橡胶塞，用打孔器在塞子上打两个孔。其中一个孔位于橡胶塞的中心位置，从橡胶塞的下部打，不打透（剩余3～4mm），以便注射器针头可从其上方轻松扎入。在旁边的位置打另一个孔，打透，安装玻璃导管作为尾气的排除通道。在塞子底部固定一枚大头针，拴住一朵鲜花或有色布条。

然后取4g亚硫酸钠放入10ml的烧杯中。分别取3ml酸性高锰酸钾溶液、品红溶液、紫色石蕊溶液、氢硫酸四种试剂分别置于4个5ml的小烧杯中。用镊子将上述5个烧杯置于罐头瓶底部，其中10ml烧杯置于瓶底的中心位置。按照图安装好装置。

用注射器吸取8ml稀硫酸，从塞子的中心孔扎入，向10ml的小烧杯中慢慢注入稀硫酸后拔出注射器。观察实验现象。实验结束后用注射器吸取少量的氢氧化钠溶液，倾斜注入罐头瓶中（注意不要将其注入小烧杯中），轻轻振荡。最后，取出装有品红溶液的小烧杯，用酒精灯加热后观察实验现象。

本装置比较适合教师的演示实验，用扁形罐头瓶作为反应容器，增强了实验的可视性。所有的反应都在封闭系统中进行，能有效防止有毒气体的逸散。

以上从三个方面，介绍了5种使实验系列化的方法。根据这几个思路，我们可以开发更多的系列实验，改善我们的实验环境，让实验不仅仅是教师演示，同时也可以是学生参与，并且实验改进有助于帮助启发学生理解实验原理，开拓学生思路，启发学生进行多个问题的探究。

4 中学化学有毒实验绿色设计思考

4.1 科学改进实验操作，消除实验污染源

化学实验过程中常常会伴随有气体、液体或固体产物的生成，而这些产物中许多是属于有害或有毒的物质，特别是有毒气体不仅会直接影响到师生的健康，而且逸散到空气中还会对大气造成污染。例如：在利用实验研究金属铜与浓、稀硝酸的反应时，若按照教材的实验操作，将会产生一定量的二氧化氮或一氧化氮气体，危害师生身体健康并污染大气环境。如果从绿色化学的角度出发，把此实验进行改革，既可明显地观察到发生的现象，掌握铜与浓、稀硝酸反应的实质，又能避免二氧氮或一氧化氮的逸出，消除对环境污染的危害，并通过教学逐步向学生渗透绿色化学的意识。

4.2 科学规范实验操作，增加尾气吸收装置

化学实验中，师生都要接触有害物质和无害物质，在实验中也会闻到有害和无害气体。因此，必须指导学生要严格按照实验操作的程序，有条不紊地进行各种实验。正确地闻气体、取药品、取有毒性原料，甚至如何盖瓶盖、放置试剂、取药品的各种工具的选用、取用药品量的多少都要向学生交代清楚；改进实验方法，设计合理的实验装置。尽量采用封闭措施，减少师生被动接受有毒有害气体的污染。如在制取硫化氢、二氧化硫、氯气、氯化氢、一氧化氮、二氧化氮、氨气、一氧化碳等气体时一定要通过演示实验讲清吸收的原因（有害气体不允许直接排放到大气中），强调尾气吸收的重要性，使学生深深认识到只要涉及气体的制备问题就应考虑尾气处理。

4.3 精心组装整合实验，减少实验污染次数

组装整合实验是指通过调整实验的操作，把几个分散的实验组合成一个整体。连续做一个系列实验，同时使一个实验的产物成为下一个实验的原料。这种教学方法不仅能渗透绿色化学教育的思想，而且还能较好的检查学生的操作技能和实验教学效果。例如，在讲授氨气的性质和制法时，教师往往会利用喷泉实验说明氨气的溶解性及溶于水后溶液呈碱性的知识，然后再进行氨气的实验室制法的讲授。这样会多次制取氨气，会使氨气多次污染空气。若将二者进行有机结合，通过整合实验装置进行实验演示，然后进行装置的分析讲解，既能达到讲授知识的目的，又能很好的避免氨气对环境的多次污染。

4.4 积极推行微型实验，有效控制环境污染

目前，在常规实验中，药品用量较多不仅造成浪费，还会污染环境。因此，在实验中可用玻璃管制成各种可加热仪器的替代实验仪器，用点滴板等进行微型系列实验。这种方法药品用量少、反应产物少、操作安全，实验不会造成危险，对环境的污染程度较轻。同时也达到了实验的目的。如硝酸银溶液和稀盐酸的反应，要求学生不用试管做实验，而是改用点滴板，实验时只需取一滴稀盐酸在孔穴处，在取一滴硝酸银溶液滴在孔穴处，立即可见白色沉淀生成，然后取一滴稀硝酸滴入沉淀中，沉淀不溶解。通过实验，学生很容易得出结论：稀盐酸与硝酸银反应生成不溶于稀硝酸的白色沉淀。操作中不仅收到了良好的实验效果，而且把化学实验与环境教育有机结合、渗透，进一步增强了学生的绿色环保意识。

[1]陶秀梅,曾广华.有毒气体性质实验的改进[J].教学仪器与实验,2009,(8).

[2]彭实,刘鸿.中学化学实验绿色化研究[M].北京:人民教育出版社,2010.

[3]马志成.中学化学实验教学绿色实践[J].中学化学教与学,2003,(11).

【注】项目来源：温州大学2010年教师教育专题研究项目“基于教师专业发展校本教研模式理论与实践——高中化学学科为例”研究成果之一。

（作者单位：成洁琼，郭田田，温州大学化学与材料工程学院在读研究生，主要从事高中绿色化学与课程开发研究；马志成,温州大学化学与材料工程学院教授、硕士生导师,主要从事绿色化学、化学科学课程教学论的教学与研究）

（编辑 刘丽娜）