一组微型化学实验的设计

一组微型化学实验的设计

沈 戮

（湛江师范学院 化学科学与技术学院，广东 湛江 524048）

摘 要：本文根据微型化学实验的特点，着重介绍设计了一组有代表性的、有利于学生参与和有创意的微型化学实验。实验可操作性强，特别适合于中学课堂教学，对推广微型化学实验，培养学生的创新精神和实践能力有积极的意义。

关键词：绿色化学；微型化学实验；实验设计

在当今世界范围的基础教育改革中，化学课程改革都把焦点放在化学实验上，而且都趋向于通过实验学习化学，将化学实验作为化学课程的重点内容。我国现在实行的化学课程标准，也把实验探究置于课程的中心地位，强调“确保每个学生都能进行实验探究活动”。按新颁布的课程标准编写的新教材除了大力加强实验在全书中所占的比重外，还大力改革实验内容，使实验简单化、微型化和生活化，以适应21世纪绿色化学的发展要求。但是，在化学课程标准的实施过程中，由于常规化学实验不能随时开展和实验经费、化学实验室等严重不足难以开展随堂学生实验。大多数中学开展化学实验十分艰难，而且将会长期都无法达到化学课程标准的实验要求。所以目前各中学实际开放的学生实验极少，大量的实验只能借助于演示实验，甚至是黑板上画画，嘴巴上讲讲的“实验”。化学实验成为制约培养和发展学生化学能力，动手能力，创造思维的重要的“瓶颈”。然而，以绿色理念为指导兴起的微型化学实验，却以优异的实验功能给新课程的化学实验预示着乐观的前景。因此设计一些有利于学生参与的微型实验可以有效地促进化学实验教学改革和化学新课程的实施。下面介绍依托湛江师范学院研制的中学化学微型实验仪器[1]而设计的一组便于开展有创意的中学微型化学实验。

1. 碳酸钠和碳酸氢钠热稳定性的比较

1.1 反应原理

2NaHCO 3 Na 2CO 3 + CO 2↑+ H 2O

CO 2 + Ca(OH)2

CaCO 3↓+ H 2O Na 2CO 3

不反应

1.2 实验装置

微型实验装置见图1。

1.3 实验步骤和操作

在具支试管的底部加入固体NaHCO 3约0.2 g ，在具支试管的侧泡处加入约0.2 g 的固体Na 2CO 3。在小

试管中盛约0.5mL 澄清石灰水。如图1所示进行装置仪器。 先用酒精灯加热装碳酸钠的侧泡处几秒钟，观察，石灰水没有变化。再把酒精灯移到具支试管底部加热碳酸氢钠，再观察，很快看到澄清的石灰水变浑浊。

1.4 实验评价

150～180℃ 150～180℃ 图1 NaHCO 3与Na 2CO 3热稳定性的比较

本实验将两个实验并入一个微型装置中进行成为可能，减少实验仪器和药品，操作前后连贯，实验简便快速，现象对比鲜明。

2. 钠与水的反应

2.1 反应原理

2Na + 2H 2O

2NaOH + H 2↑

2.2 实验装置

微型实验装置见图

2。

2.3 实验步骤和操作

在具支试管中，加入水至侧泡的中部，再加1滴酚酞试液，

用胶头封住支管。把一小块米粒大的钠投入试管中，然后用肥

皂液抹在其管口（抹肥皂液时，应在管口稍停留一会，有利于

形成肥皂泡）。可看到金属钠浮在试管的水面上，迅速熔成闪亮的小球作无规则游动。观察到在钠游动的附近溶液颜色变红色，说明反应生成了NaOH 。当试管口形成一个比较大的肥皂泡时，将点燃的火柴移近肥皂泡，能听到氢气清晰的爆鸣声。

2.4 实验评价

由于危险而备受关注的钠与水反应和氢气的验证实验，在该微型实验使钠在密闭的容器中反应，安全快捷[2]，操作简单、现象明显。该实验不仅为学生对钠与水的反应、反应生成物的检验、反应中热量的变化以及金属钠的熔点、密度等的认识提供了丰富的第一手材料，而且实验具有趣味性，有利于激发学生的学习兴趣。

3. 浓硝酸、稀硝酸跟铜反应

3.1反应原理

Cu + 4HNO 3(浓)

Cu(NO 3)2 + 2NO 2↑ + 2H 2O 3NO 2 + H 2O

2HNO 3 + NO↑ 3Cu + 8HNO 3(稀)

3Cu(NO 3)2 + 2NO↑ + 4H 2O 2NO + O 2

2NO 2

3.2 实验装置

微型实验装置见图3。

3.3 实验步骤和操作

在U 形管和具支试管里各放入一小块铜片。向U 形管加水至浸过弯管部分以形成液封，用套有乳胶管的尖嘴管塞住U 形管的细管口。装置如图3所示。

向具支试管加入4～5滴浓硝酸，使铜片和浓硝酸发生反应，溶液由无色变为蓝绿色（硝酸铜的生成），产生红棕色的NO 2气体。用手抚摸试管底部烫手，可知反应是放热的。红棕色气体经乳胶管渐渐充满U 形管的大管端，随着NO 2气体不断溶解于管内液封的水中，可观察到U 形管里原与水不反应的铜片此时会在其表面不断出现小气泡，而U 形管小端的气体仍然保持无色，该现象表明铜与NO 2气体溶于水的反应产物——稀硝酸作用，生成无色的NO 气体。片刻后，让U 形管小端里的NO 气体浓度高些时，将一支多用滴管对着尖嘴管上方的乳胶管口吸气，很快地多用滴管内可看到逐渐变为红棕色的气体。由此证明U 形管小管端的无色气体NO 被吸入多用滴管后与滴管里的空气反应生成红棕色的NO 2气体。

3.4 实验评价 图2 金属钠与水反应实验装置 图3 铜与硝酸反应实验装置

在经典的浓硝酸与铜的实验中，由于产生较多的剧毒气体NO 2无法消除而严重地污染环境，本实验可以从根本上解决了对环境的污染问题。反应中产生的NO 2被限制在微型气体发生器内，与水发生反应生成NO ，NO 通过不断充入空气来消除，直至最后全部耗尽，转化成稀硝酸，减少三废。

该设计能充分利用资源（前一个反应的产物是后一个反应的重要反应物），进一步降低实验成本。并在短时间内完成各项反应，操作简单，大大提高了实验效率。实验中涉及到的知识点多，实验的设计有利于对所学有关知识的综合应用（浓、稀硝酸的氧化性比较；NO 2与NO 气体理化性质差异及其转化关系；酸、碱、盐的反应规律），既拓宽了实验内容，又注重培养学生的创新思维。

4. 电解食盐水

4.1 反应原理

阳极：2Cl - －2e -

Cl 2↑（氧化反应）

阴极：2H 2O ＋

2e -

H 2↑+ 2OH -（还原反应） 总反应：2H 2O + 2NaCl

2NaOH + H 2↑+ Cl 2↑ 2KI + Cl 2

2KCl + I 2（遇淀粉变蓝） 4.2 实验装置

微型实验装置见图4。

4.3 实验步骤和操作

U 形管内加入饱和食盐水至支管口处，U 形管的细管口端插上铅笔芯作电极，粗管口端插上回形针作电极，并塞上胶塞，两电极经导线分别与电源的两极相连接。接通电源，片刻后，将湿润淀粉碘化钾试纸放在细管口上（阳极），可观察到淀粉碘化钾试纸变蓝色，并用手轻轻在细管口上扇动，能闻到氯气的气味，证明电解食盐水时在阳极上有氯气生成；用肥皂液抹在粗管的支管口，待肥皂泡增大后，将火柴的火焰移近肥皂泡，能听到清晰的爆鸣声。说明电解时在阴极有氢气生成。实验毕，断开电源，分别向两管口滴入1~2滴酚酞溶液，可观察到在细管口端没有颜色变化而粗管口端则变红色，表明在阴极区生成了碱。

4.4 实验评价

该实验现象明显，阴阳极区生成氢气和氯气不用收集，

且验证简单，实验快捷，趣味性高。

5. 一氧化碳的制备及性质

5.1 反应原理

3CO + Fe 2O 3

2Fe + 3CO 2↑ CO 2 + Ca(OH)2

CaCO 3↓+ H 2O

5.2 实验装置 微型实验装置见图5。

5.3 实验步骤和操作 在具支试管的底部加约1mL 甲酸，在侧泡处放置氧化铁粉末约0.04g （约一颗花生米大小体积）。用直形通气管和滴管胶头组成滴管吸入适量浓硫酸，紧塞在具支试管的管口。再在另一支侧泡具支试管中加入↑+ H 2O △ 电解 图4 电解食盐水实验装置 图5一氧化碳的制备及性质微型实验装置