微型化学实验在教学中的实践

张金伟

所谓微型化学实验，就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。微型化学实验是20世纪80年代美国Dana W. Mayo博士首先提出的。它的核心就是使“实验药品微量化，实验仪器微型化”。其特点是：降低药品用量，化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一，甚至几千分之一，但其效果仍可以准确、明显、安全并环保。与传统实验相比较，在减少环境污染、节约实验经费的同时，还可使我们在较短的时间内，完成规定的实验内容，克服常规实验的不足，获得更准确、更可靠的实验信息。因此，在开展微型化学实验教学中有意识地进行绿色化学教育，可以达到事半功倍的效果。

中学阶段的实验主要有性质实验、物质制备实验、定量实验和综合实验。定量实验一般利用常规实验进行；其他的实验都可以改成微型实验进行。有的实验结果对环境没有太大的影响，而有的实验对环境会造成一定的污染。对环境影响不大的实验可利用常规实验进行，对环境影响大的实验，尽可能利用微型实验进行。如氯气的制取和性质、二氧化硫的制取和性质、浓稀硝酸的性质等实验，对环境的污染较大，应尽可能设计成微型实验进行。目前微型实验的设计主要有以下三种途径。

一、使用标准的微型实验仪器

目前，中国微型化学实验研究中心已经研制出标准的微型实验仪器，它是由塑料微型仪器和玻璃微型仪器结合组成。使用方便，快捷。在学习元素化合物性质、一些有刺激性气味和有毒物质的制备时，可选用微型化学实验，把集气瓶、烧瓶、启普发生器等微型化。

例如：H2S和SO2气体的制备及性质实验，如图1。

实验仪器：微型气体发生器、V形侧泡反应管、侧泡具支试管、尖嘴管、直形通气管、直角形通气管、止气夹、微型酒精灯、胶头滴管。

实验操作：以侧泡具支试管作为制备气体的微型发生器，在左边气体发生器中加入约0.5g硫化亚铁，上方滴管吸入稀硫酸。在右边气体发生器中加入约2mL浓硫酸，在其管口插有一根铜条。在V形侧泡反应管的侧泡处分别加入1～2滴紫色石蕊试液和品红溶液，在V形处加入几滴高锰酸钾溶液。

实验现象：夹紧止气夹，加热装浓硫酸的侧泡具支试管，沸腾后把铜条插入酸液下，这时可以看到管中有SO2气泡出现，且浓硫酸慢慢变蓝色。观察V形侧泡反应管中各处的实验现象，紫色石蕊试液变红色说明SO2溶于H2O生成亚硫酸，用酒精灯加热该处溶液又变为紫色说明亚硫酸不稳定；品红溶液褪色说明SO2具有漂白性，用酒精灯加热该处褪色的品红溶液红色又复出现；高锰酸钾溶液褪色说明SO2具有还原性易被氧化剂氧化。挤压左边的胶头滴管使稀H2SO4加入侧泡具支试管中，与硫化亚铁接触，即有H2S生成，打开止气夹，使生成的H2S进入微型气体发生器中与SO2接触，经过反应，在微型气体发生器管壁上附着一层淡黄色的固体，这是反应生成物单质硫。

实验设计评价：H2S和SO2气体都是对环境造成污染的有毒气体，使用标准化微型实验仪器组装的实验装置，试剂用量比常规实验节约70%左右，可以大大降低有毒气体的排放，并且这套实验装置将H2S和SO2两种气体的制备融合在一起，实验仪器组装简便，安全性高，反应时间短，可以在有限的时间内让学生做更多的实验，获取更多的知识。同样这套装置也适用乙烯的制备及性质实验。

二、创新性地设计微型实验

在没有微型实验仪器的情况下，可利用一次性医用器材或生活中的一些用品，经过创新性设计后，组装成实验装置，效果也很好。例如用医用小药瓶和注射器设计的微型实验装置来进行气体的制备和性质检验，或进行一些综合性实验，也都能取得较好的效果。

例如：利用微型实验进行氯气和SO2气体的漂白性对比，如图2。

实验步骤及现象如下。

A瓶中：无水Na2SO3晶体。注射器：浓硫酸。制备SO2气体的发生装置。B瓶中：KClO3晶体。注射器：浓盐酸。制备氯气的发生装置；C，D，E三个瓶中各装一个浸水的有色布条。F，G两个瓶中加入紫色石蕊试液。将注射器中的试剂加入药瓶中产生氯气和SO2气体，观察现象。氯气经过的D瓶中布条最先褪色，SO2气体经过的E瓶中布条稍后褪色，说明氯气和SO2气体都具有漂白性，而C瓶中的红色布条褪色不明显，说明氯气和SO2气体混合与水反应后生成硫酸和盐酸，失去了漂白性。氯气经过的F瓶中的紫色石蕊试液先变红后褪色，说明氯气溶于水生成显酸性物质，且产生的次氯酸具有强漂白性使石蕊褪色；SO2气体经过的G瓶的紫色石蕊试液只变红不褪色，说明SO2的漂白性具有选择性，它能和某些有色物质结合生成不稳定的无色物质。

实验设计评价：这套实验装置将氯气和SO2的制备进行微型化处理，使得操作简便，且对环境的污染减小，实验现象明显，能够对氯气和SO2的漂白原理进行准确的说明。

三、设计“点滴化”实验

在传统的教学实验中，为了在一套实验装置中验证一种物质的多种化学性质，往往采用多个试管并列的实验方法。组装仪器所需时间较长，试剂加入量较大，前后实验可能互有影响。如果利用微型实验方法，按照事先设计好的方案，置A、B、C、D等于点滴板或表面皿上，然后按顺序滴加另一种试剂，使反应体系阵列化，就会同时观察到所有的变化，适时地进行比较、分析和归纳，其情景将和传统方法完全不同。

例如：将探究氯气化学性质的实验设计成“点滴化”微型实验，如图3所示。使用到的仪器有：直径为6cm的培养皿；直径为9cm的培养皿（作盖子），滴管。

实验步骤：将小培养皿放在白纸上，在培养皿的不同位置分别滴加浓度为0.1mol·L-1的Na2SO3（含BaCl2）溶液、KI（含淀粉溶液）、NaOH（含酚酞）溶液、FeSO4（含KSCN）溶液、橙汁各1滴，每种液滴彼此分开，围成半径小于培养皿的圆形（如图3所示），在圆心处放置2粒KClO3晶体，向KClO3晶体滴加一滴浓盐酸，立即将作盖子的大培养皿盖好，观察现象。endprint

实验现象：观察氯酸钾与浓盐酸反应产生黄绿色气体氯气；亚硫酸钠被氯气氧化成硫酸钠，遇氯化钡产生白色沉淀；氯气将碘离子氧化成碘单质使淀粉变蓝色；氢氧化钠酚酞溶液的红色逐渐褪去；硫酸亚铁被氧化成硫酸铁遇硫氰化钾显红色；氯气溶解到橙汁溶液中产生次氯酸的漂白性使橙汁变为无色。

实验设计评价：使用这套微型实验装置研究氯气的化学性质，效果相当好，它的最大优点就是氯气自发弥散取代了将反应物混合，现象快速明显，立即就能观察到反应现象，中学生很容易就能掌握这组实验的操作过程和实验技术，而且药品用量少，大大降低了氯气对实验室的污染程度。此外，该实验所用仪器均为透明的玻璃仪器，因此，教师也可以用投影来做演示，以增强实验的效果。

四、微型化学实验的特点

通过以上微型化学实验在教学实践中的应用，可以总结出微型化学实验的以下特点。

（一）微型化学实验体现了绿色化学理念

绿色化学的目标是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大限度地节约能源，在各环节都实现净化和无污染反应途径。实验教学与绿色化学联系最为直接，化学实验绿色化是社会发展的需要，也是学生身心健康发展的需要，因此，为了实现绿色化学的理念，中学化学实验必须进行改革创新。发展微型化实验，使实验仪器微型化，实验药品微量化，与传统实验相比较，大大减少了有毒有害物质的排放，降低了环境污染，但实验效果仍可以准确、明显、安全并且环保。

（二）微型化学实验有利于提高学生动手操作能力，培养实验创新精神

在一些化学实验中涉及的化学实验药品或生成的化学物质具有一定的毒害性，有些学生在化学实验中会心存畏惧，害怕伤害到自己而不敢动手实验，这种情况影响了他们对化学实验的兴趣和积极性。在教学中引入微型化学实验，能够很好地解决上述问题，实验装置的微型化，会降低胆小学生的畏惧心理，增加学生动手操作的机会，有利于增强学生的实验能力。一些巧妙的微型化学实验设计，提高了学生学习化学的兴趣，刺激了学生的创造性思维，开阔了学生的实验设计思路，有利于培养学生的实验创新精神。

（三）微型化学实验提高了课堂教学的效率

实验仪器微型化节省了组装实验的时间，实验药品微量化使化学反应的时间也大大缩短，这样在课堂上留下更多的时间供师生反思、交流，更利于学生思维的开阔和发展，提高课堂教学的效率。

在新课程理念的引领下，创新性微型化学实验在教学中的应用，一方面体现了绿色化学的理念，以较少的试剂完成实验，最大限度地降低了对环境的污染，保护了实验者的健康；另一方面微型实验创新与培养学生进取创新精神有机地结合起来，大大激发了学生对化学实验的兴趣，在实验的过程中学生学会改进，学会创新，从而培养学生运用所学知识进行创新的精神和能力。化学实验以其丰富的内涵在化学教学中发挥着独特的功能和作用，在教育、教学中占据着非常重要的地位，重视化学实验，创新化学实验，对于培养学生科学的实验素养，树立科学的人生观，全面提高教学质量具有重要意义。endprint