高中化学实验装置改进案例分析

胡爱霞 张永强

摘 要 高中化学实验课是化学这门课程的重要组成部分，学生通过观察实验现象总结实验规律，进一步揭示化学反应的本质。伴随着信息化教学的普及，高中化学实验课成为学生获取知识、培养能力的重要手段。在化学实验课教学中，不断创新和改进装置设计，做到实验装置设计微型化、环保化等，可以培养学生的探究能力、动手能力，增强学生的环保意识。

关键词 化学实验；高中化学；仪器装置

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）13-0121-03

1 引言

高中化学新课程标准提出，在高中化学实验中，学生通过实验探究活动，准备实验药品、实验仪器装置，亲身体验实验探究的过程，充分认识到化学实验在化学这门学科中起到的重要作用，应使高中化学实验课成为学生获取知识、培养能力的重要手段。在化学实验课教学中不断设计创新装置，做到实验装置设计微型化、环保化等，可以培养学生的探究能力、动手能力，增强学生的环保意识[1]。

高中化学实验主要涉及三大部分的内容：化学实验常用仪器的用途和使用方法；化学实验仪器装配、药品取用以及简单的操作；物质的制备和性质检测实验等。本文主要分析高中化学创新装置设计的原则，然后结合高中化学实验内容列举几个具体的创新装置改进实验，为相关教师提供教学参考。

2 实验装置改进的目的和意义

在高中化学实验教学中，按照实验的要求进行实验装置改进的目的是更好地服务实验教学[2]。如除杂实验，氮气中混有少量的氧气，选择除杂质试剂需要注意除去氧气的同时，不能和氮气反生化学反应，也不能产生新的气体，尽量采用固体消耗混杂的气体。

符合科学实验要求 实验装置改进必须符合科学事实，要结合化学实验的实验原理、实验目的、实验方法和实验步骤等进行实验装置的创新设计[3]。如硫的燃烧实验及生成物性质的检验中，若是在空气中直接燃烧生成的二氧化硫，会污染空气；改进装置后，实验在相对密闭的环境中进行。因此，改进装置更符合科学实验要求。

体现环保理念 改进实验装置要体现环保理念。对于实验中产生的废气、废水和废物质要及时回收，对于一些可以循环使用的原料，进一步回收以循环利用。如尾气中含有二氧化硫、氯气、硫化氢或者三氧化硫等气体的气体制备实验中，可以采用氢氧化钠溶液进行尾气的吸收。

提高实验的安全性 实验装置的改进本着“安全无小事”的思想，确保实验过程中操作规范，实验设备装置的安装和拆卸都合理。如改进后的高中化学实验中装备的安装顺序一般为由左到右、由下到上，操作过程顺序一般为安装设备→检验整套装置的气密性→添加实验药品→进行实验操作。

体现节约型原则 主要体现在改进设计过程中采用尽量少的仪器、用到尽量少的试剂、采用尽量简化的实验步骤。如改进洗气装置，可以采用双耳球代替洗气瓶，实验过程中避免试剂的浪费。

3 化学实验装置改进案例分析

案例一：硫的燃烧及二氧化硫的性质实验 硫是高中化学中比较重要一种非金属元素，单质硫性质比较活泼，可以和空气中的氧气发生化学反应生成二氧化硫，也可以和金属铁反应生成硫化亚铁，和金属铜反应生成硫化铜。但是硫的氧化物会污染空气，所以在二氧化硫的性质检测实验中要注意实验装置的改进。

高中化学实验中采用三套装置进行硫的燃烧和性质检测实验。图1中主要画出硫的燃烧实验装置图。操作中在试管中加入适量的硫粉，用酒精灯进行加热，加热一小会儿后开始通入空气，单质硫在试管中进行燃烧，生成的气体被氢氧化钠溶液吸收。

图2是二氧化硫性质的检测实验装置图，两个試管用橡皮塞塞紧，上面插入分液漏斗，其中一支试管中通入适量的二氧化硫气体，注意用橡皮塞子塞紧；另一支试管中不通入二氧化硫气体。在操作过程中将通入二氧化硫气体的试管迅速换上盛有紫色石蕊试液的分液漏斗，没有通入气体的试管中换上盛有纯净水的分液漏斗，打开连通两个分液漏斗的活塞，观察实验现象。

图3是二氧化硫与溴水和高锰酸钾溶液的反应装置图，主要通过挤压胶头滴管，试管中盛有溴水或者高锰酸钾溶液，观察二氧化硫水溶液滴入溴水或者高锰酸钾溶液后，溶液颜色的变化。同样，二氧化硫可以使品红溶液褪色的实验也可以采用这个装置。

改进实验设计之后，可以把图1、图2和图3装置图综合成一个装置，如图4所示。

图4所示二氧化硫制备以及性质实验创新装置图基本整合了图1、图2和图3的装置图，实验目的：制备二氧化硫气体并且进行二氧化硫性质的检测实验。主要需要的实验用品有单质硫、品红溶液、石蕊试剂溶液、溴水溶液、高锰酸钾溶液和氢氧化钠溶液，酒精灯、铁架台、玻璃导管和安全瓶等。试管中装有单质硫的粉末，安全瓶中分别盛有品红溶液、石蕊溶液、溴水溶液和高锰酸钾溶液。实验过程中首先检验整套装置的气密性，然后点燃酒精灯，同时通入空气，观察各个装置中溶液颜色的变化。实验过程中注意在第一个安全瓶里加入热水，再次观察品红溶液颜色变化。学生通过观察四个安全瓶中颜色的变化，做出总结：

盛有品红溶液的安全瓶中通入二氧化硫气体之后，品红溶液褪色，而换成热水之后，品红溶液又恢复了原来的颜色，证明二氧化硫气体可以使品红溶液褪色，具有漂白的性质，但是漂白之后的生成物不稳定，加热可以进行分解。二氧化硫气体通入石蕊溶液后，发现无色的石蕊溶液变红色，证明二氧化硫气体溶于水中，溶液呈现酸性。二氧化硫气体通入溴水溶液后，发现溴水溶液褪色，证明二氧化硫气体具有强氧化性，可以和溴发生化学反应。同理，二氧化硫气体通入高锰酸钾溶液中，高锰酸钾溶液变色，证明二氧化硫气体具有强氧化性。

改进后实验装置性能分析：整套实验装置采用的实验用品都比较简单，一次性制备了二氧化硫气体，并进行了漂白性、酸碱性和强氧化性的检测，最后对多余二氧化硫气体进行了尾气吸收，减少对环境的污染。因此，改进之后的实验装置具有简单可操作性、环保性等优点，学生在实验过程中可以进行灵活操作，实验现象比较明显，便于对二氧化硫性质的掌握。

案例二：利用启普发生器制备气体的实验 启普发生器主要用于块状固体和液体之间的反应，不用于加热的反应，制备的气体不能或者不易溶于水，因此，高中化学实验中氢气、二氧化碳气体、硫化氢气体、一氧化氮气体和二氧化氮气体等都可以采用启普发生器进行制备。

图5中画出类似启普发生器的实验装置图（自左到右分别为装置1～装置5）。装置1和装置2的优点是实验中比较容易操作，并且操作起来比较安全；缺点是实验过程中液体的滴加量不易控制，很容易导致反应物的添加过量。装置3的优点是可以随时控制实验的进程，学生在实验操作过程中比较灵活；缺点是这套装置需要的药品消耗量比较大，不利于节约药品。装置4的特点类似于微型化启普发生器[4]，实验过程中可以随时控制实验进程，药品的消耗量比较少，整个实验比较节约成本，但是对于大量气体的制备不适合。装置5比较适合教师进行演示实验，整套装置比较简单，容易操作，反应过程可以随时进行和停止，同时采用分液漏斗后，液体或者药品的添加量很容易进行控制，但不适合学生在实验室进行气体的制备。

“一氧化氮的制备及性质实验”可以采用图6和图7所示创新实验装置。

实验原理：铜和浓硝酸反应制备一氧化氮。主要化学反应方程式：Cu+4HNO3（浓）→Cu（NO3）2+2NO↑+2H2O。采用图6实验创新装置图，主要应用的实验用品有试管、玻璃导管、分液漏斗、酒精灯、铜丝、浓硝酸、浓硫酸、氢氧化钠溶液、酸碱指示剂等。实验步骤：首先检查装置的气密性，在试管中加入适量的稀硝酸溶液，同时把缠绕细铜丝的分液漏斗伸入浓硝酸溶液中；橡皮塞塞紧后，学生可以观察到铜丝表面立刻产生大量气泡，整个试管很快被红棕色气体填充；但是伴随着化学反应的不断进行，生成的一氧化氮气体被烧杯中的氢氧化钠溶液吸收，采用倒立式漏斗装置进行气体防倒吸处理实验。这种装置的优点是增大了气体和吸收液氢氧化钠溶液的接触面积，而且伴随着气体的不断吸收，玻璃导管内的大气压强减小，烧杯里的吸收液上升到漏斗中，液面开始下降，导致漏斗口离开吸收液液面，但是由于自身重力的影响，还会回到烧杯内，防止液体进行倒吸。

图7实验创新装置图为铜和稀硝酸的反应，主要应用的实验用品有圆底烧瓶、长颈漏斗、U形管、玻璃导管、稀硝酸溶液、细铜丝和氢氧化钠溶液等。反应的主要方程式：3Cu+8HNO3（稀）→3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。这套创新性实验装置在操作过程中的注意事项：

1）稀硝酸的浓度不宜高，否则会影响一氧化氮的产率；但也不要太低，否则会影响化学实验速率，一般采用稀硝酸的体积比为1：4；

2）细铜丝实验前需要进行打磨，否则含有氧化铜或者其他氧化物，影响制备气体的纯度；

3）胶塞塞住注射器前必须保证是真空，否则生成的一氧化氮很容易发生氧化。

改进后的装置性能：整套装置操作简单，保证了制备气体的纯度，同时有利于教师对实验过程的调控，实验中注重对尾气的处理，培养了学生的环保意识。

参考文献

[1]许力，王九思，沈彤.设计综合化学实验装置时的创新思维方式[J].甘肃联合大学学报：自然科学版，2006（4）：41-42.

[2]王德芹，李念洋，柴勇.利用创新装置推进高中化学实验教学[J].中学化学教学参考，2015（4）：42.

[3]马志超.高中化学实验装置创新三法[J].当代化工研究，2016（12）：51-52.

[4]陈国民.微型化学实验创新（三）反应碟：微型气体产生和测试装置[M]//中國化学会：第七届全国微型实验研讨会暨第五届中学微型实验研讨会论文集.2007：4.