中学化学敞口实验的一体化设计

2017-11-14姚亮发林师龙张贤金

化学教学 2017年10期

姚亮发+林师龙+张贤金

摘要：从改进背景、改进思路、一体化实验装置、实验步骤和现象以及一体化装置等方面，对我国中学化学中的“加热碳酸氢铵”“微粒运动”“验证二氧化硫性质”等三个敞口实验进行一体化设计研究。通过一体化设计，不仅减少实验对空气的污染，节约实验药品，缩短反应时间，而且使反应生成物的验证更加可视化。同时，增强实验的可操作性、环保性与创新性。

关键词：加热碳酸氢铵；微粒运动；二氧化硫性质；实验改进；一体化设计

文章编号：1005–6629（2017）10–0052–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学实验是培养学生观察能力和操作能力的重要手段，但是我国中学化学教材中的一些实验在操作过程中会产生部分有刺激性或有毒性气体，如氨气、二氧化硫等，这些气体逸散在教室中，会危害学生的身心健康，不符合环保理念。将中学化学教材中原有敞口实验装置，设计成在密闭体系中发生的一体化反应装置，不仅能减少实验对空气的污染，节约实验药品，缩短反应时间，而且能使反应生成物的验证更为可视化，增强实验的可操作性、环保性与创新性。本文以我国中学化学教材中的“加热碳酸氢铵”“微粒运动”“验证二氧化硫性质”等三个实验为例，探讨中学化学教材中敞口实验的一体化设计问题。

1 加热碳酸氢铵实验的一体化设计

1.1 改进背景

上海教育出版社2012年1月出版的《化学》（九年级上册），第1章《开启化学之门》第1节“化学给我们带来什么”中，加热碳酸氢铵实验是这样叙述的：在蒸发皿中放少量碳酸氢铵，将蒸发皿放在酒精灯上加热，观察实验现象[1]（见图1）。该实验在操作过程中有以下两点不足：一是加热后产生的氨气逸散在空气中，造成空气污染，不适合学生分组实验；二是生成的三种物质没办法全部用实验验证，缺乏说服力。

1.2 改进思路

本实验有教师进行过改进，如吴长顺老师“碳酸氢铵受热分解实验的创新改进”[2]。笔者改进的加热碳酸氢铵实验的操作过程不仅能减少环境污染，还能检验碳酸氢铵受热分解后的三种产物，既适用于课堂演示实验，又适合学生做分组实验。

1.3 一体化实验装置

改进的一体化实验装置见图2。

1.4 实验步骤和现象

按图2连接装置，并检查装置的气密性。将适量碳酸氢铵固体装入大试管中，把装有橙黄色无钴变色硅胶固体（无钴变色硅胶为球形或不规则形状的颗粒，外观为的橙黄色，其主要成分为二氧化硅，颜色随湿度不同而变化，未受潮时为橙黄色，随着自身吸附水分的增加而逐渐变成绿色、墨绿色，除具有蓝色含钴硅胶性能外，还具有不含氯化钴、无毒，無害的优点）的敞口透明保鲜袋固定在带导管的橡皮塞里端上侧的小铁夹上，将湿润的红色石蕊试纸用小铁夹固定在带导管的橡皮塞里端下侧。固定好装置，导管伸入盛有澄清石灰水的烧杯中。预热后，将酒精灯固定在碳酸氢铵固体的部位加热。

加热一段时间后，碳酸氢铵固体慢慢消失、橙黄色无钴变色硅胶逐渐变为绿色，湿润的红色石蕊试纸变为蓝色，澄清石灰水变白色浑浊。这些现象证明，碳酸氢铵固体加热时发生了化学反应，生成水、氨气和二氧化碳气体。

1.5 一体化装置特点

反应是在密闭的体系中发生的，生成的氨气不会扩散到空气中，减少了环境污染；用该装置作实验，所需药品量少，无钴变色硅胶可以重复使用，尾气无污染，既可以用做演示实验，又适合做学生分组实验。

2 微粒运动实验的一体化设计

2.1 改进背景

上海教育出版社2012年1月出版的《化学》（九年级上册）第3章《物质构成的奥秘》第1节“构成物质的基本微粒”中探究微粒运动实验[3]，教材设计如下：[实验1]向烧杯A中加入20mL蒸馏水，滴入2～3滴酚酞试液，得到溶液甲。向溶液甲中滴加1～2滴浓氨水，观察现象。[实验2]在烧杯C中重新配置甲溶液。在烧杯B中加入3～5mL浓氨水，用一个大烧杯把两个烧杯罩在一起，观察实验现象（见图3）。

笔者多次实验后发现该实验存在以下不足：一是原装置将浓氨水放置在敞口的小烧杯中，浓氨水挥发出来的氨气逸散在空气中，且用过的浓氨水得不到有效处理，不符合环保理念；二是原装置不能随意移动，后排的学生观察不清楚；三是原装置实验过程时间较长，静置2～5分钟后才出现变红的现象，学生不易观察；四是原装置实验需要氨水用量较大，只用一次，浪费药品。

2.2 改进思路

本实验也有不少教师进行过改进，如马逸群等“探究微粒运动实验”系列设计[4]、朱玉忠等“探究微粒运动实验的新设计”[5]等。笔者设计的探究微粒运动的一体化环保型实验装置不仅能减少环境污染，还能节约药品用量，非常适合做课堂演示及学生分组实验。

2.3 一体化实验装置

实验改进的一体化装置见图4。

2.4 实验步骤和现象

按图4连接仪器，检查装置的气密性，放开止水夹，将无色酚酞试液润湿过的棉花团分别放入具支试管和另一试管中，连接装置；轻推装有浓氨水注射器，将3～5滴浓氨水滴在具支试管中的棉花团上，白色的棉花团马上变成红色，几秒钟后试管中白色的棉花团逐渐变成红色，说明浓氨水具有挥发性，氨气分子不断运动，这一现象证明了微粒是在不断运动的；实验完成后，夹紧止水夹，轻推装有稀硫酸的注射器，逐滴滴入稀硫酸至红色棉花团变成无色，稀硫酸与浓氨水发生中和反应，消除了污染。endprint

2.5 一体化装置特点

实验是在密闭的体系中进行的，实验完成后用稀硫酸将过量浓氨水中和掉，减少了环境污染；该装置实验所需药品量少，无污染，适宜做演示实验和学生分组实验。

3 验证二氧化硫性质实验的一体化设计

3.1 改进背景

人民教育出版社高中《化学1》第四章《非金属及其化合物》第三节“硫和氮的氧化物”中二氧化硫性质的演示实验是先用试管收集二氧化硫后再逐个做实验[6]。笔者按教材中的实验方法多次实验后发现该实验存在以下不足：一是二氧化硫的性质不能全面体现，且会给环境带来污染，不符合环保理念；二是药品用量较大，操作较复杂，耗时较长。

3.2 改进思路

本实验也有不少教师进行过改进，如梁峰丽“二氧化硫性质实验的绿色化创新设计”[7]（见图5）、李猛等“二氧化硫性质实验的一体化设计”[8]。笔者设计的验证二氧化硫性质一体化环保型实验装置能一次性验证二氧化硫的多个化学性质，操作简便，节约药品，做到省时、省力、环保。

3.3 一体化实验裝置

实验改进的一体化装置见图6。

3.4 实验步骤和现象

按图6连接仪器，检查装置的气密性。将适量亚硫酸钠装进大试管中，在硬质玻管的左部、中部、右部分别放置用紫色石蕊试液、酸性高锰酸钾溶液和品红溶液润湿过的棉花团，固定好装置，将导管的末端伸入装有氢氧化钠溶液的烧杯。实验时，往分液漏斗中加适量浓硫酸，打开分液漏斗的活塞，让浓硫酸逐滴滴入大试管中，亚硫酸钠表面立即产生气泡，几分钟后可以看到硬质玻管左部用紫色石蕊试液润湿过的棉花团变红色、中部用酸性高锰酸钾溶液润湿过的棉花团变成无色、右部用品红溶液润湿过的棉花团褪色。

以上现象证明：二氧化硫溶于水呈酸性，能使紫色石蕊溶液变红色；二氧化硫具有还原性，能使红色酸性高锰酸钾溶液变成无色；二氧化硫具有漂白性，能使品红溶液褪色。

3.5 一体化装置特点

整个反应是在密闭的体系中发生的，实验中多余的气体被氢氧化钠溶液吸收，消除了环境污染。该装置能验证二氧化硫的多个化学性质，且药品用量少，做到省时、省力、环保。

4 小结

化学实验是学生进行科学探究的重要手段，化学教师在教学实践中要善于创新设计环保型实验装置，在化学实验过程中要避免环境污染，关注师生的身体健康，培养学生的绿色化学理念，让更多的化学实验向着环境友好的方向发展。