幾個創(chuàng)新設(shè)計和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的介紹

摘要：從實(shí)驗(yàn)裝置、活動與探究、反應(yīng)原理等角度介紹了6個中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計和改進(jìn)，以更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)對全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的作用和功能。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；設(shè)計

文章編號：1005－6629(2007)05－0008－03中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

化學(xué)實(shí)驗(yàn)對全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著極為重要的作用。教科書在編寫時，雖然精心設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，積極開發(fā)探究性實(shí)驗(yàn)，但在課堂教學(xué)中，有時實(shí)驗(yàn)效果往往不盡如人意。在新課程實(shí)施過程中，如何發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元化價值，需要群策群力、因地制宜地積極設(shè)計改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。我市開展的一次化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計展示活動，展示了全市化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、優(yōu)化、增設(shè)以及創(chuàng)新的成果，現(xiàn)將其中5個創(chuàng)新設(shè)計和改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)介紹給大家。

1 與實(shí)驗(yàn)裝置有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)裝置是實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，從演示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置的簡約性、安全性、綠色化、可重復(fù)操作等角度出發(fā)，設(shè)計和改進(jìn)原來的實(shí)驗(yàn)裝置，提高演示實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

案例1：銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

[原實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)] 實(shí)驗(yàn)中容易倒吸、反應(yīng)進(jìn)程難控制、拆卸裝置時產(chǎn)生污染。

[改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置](見下圖)

[實(shí)驗(yàn)操作] 連接好裝置，檢驗(yàn)氣密性，加入相應(yīng)的試劑。

第一步， 加熱試管A直到試管B中品紅完全褪色。

第二步，熄滅酒精燈后，a管中空氣進(jìn)入試管A中，可防止試管B中溶液倒吸。

第三步，將Cu絲上提離開液面。

第四步，用洗耳球從a管口向試管A中大量鼓氣，以排盡A中的SO₂氣體。

第五步，取出銅絲，浸入稀硫酸中，銅絲表面的黑色固體溶解，溶液變?yōu)樗{(lán)色，即Cu絲與濃硫酸共熱時被氧化為CuO；再取出試管底部的白色固體放入盛有水的燒杯中，溶液變?yōu)樗{(lán)色，證明白色固體是無水硫酸銅。由此可推斷出銅與濃硫酸反應(yīng)方程式為：

[裝置優(yōu)點(diǎn)]①插入的導(dǎo)管a完全防止了倒吸；②換班實(shí)驗(yàn)時不會產(chǎn)生污染；③思考性、推理性強(qiáng)，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

案例2：銅與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

[原實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)] 課前要制備氯氣費(fèi)時；實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生污染。

[改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置]

[實(shí)驗(yàn)操作] (1)集氣瓶底部先盛放少許氯酸鉀（不要用高錳酸鉀代替）。

(2)取一根長約30cm的細(xì)銅絲，從約10cm處起靠在筆套上繞成螺旋狀，另一端也留10cm，做成“U”型。如圖所示，穿過雙孔橡膠塞，塞住集氣瓶口。

(3)雙孔橡膠塞上，一孔插盛有濃鹽酸的膠頭滴管，另一孔插盛有蒸餾水的膠頭滴管。

(4)把大功率調(diào)壓變壓器或“高中教學(xué)用電源”的輸出電壓調(diào)到12V處，正、負(fù)極各接一根帶“鱷嘴形”銅夾的導(dǎo)線，導(dǎo)線上“鱷嘴形”銅夾各夾住露出橡膠塞的銅絲的兩端。此時不能打開電源。準(zhǔn)備工作至此完畢。

(5)實(shí)驗(yàn)時，先擠下膠頭滴管中的濃鹽酸，它與氯酸鉀接觸立即反應(yīng)，產(chǎn)生氯氣。當(dāng)看到瓶內(nèi)有淡黃綠色氣體后，接通電源，加熱銅絲。約10秒鐘，銅絲在氯氣里劇烈燃燒，此時立即斷開電源。后續(xù)操作略。

[裝置優(yōu)點(diǎn)]①不需要事先制備氯氣；

②電源加熱銅絲，受熱均勻，整根銅絲同時與氯氣反應(yīng)，且氯氣不斷產(chǎn)生，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)現(xiàn)象很壯觀（棕黃色煙在瓶里翻騰不熄），學(xué)生印象深刻；

③全封閉實(shí)驗(yàn)，不污染環(huán)境，多余氯氣易處理，符合環(huán)保要求。

注意要用調(diào)壓變壓器控制好電壓，或用大功率“高中教學(xué)用電源”。不能用小功率電源，如“學(xué)生電源”，它的過載保護(hù)能力差，易燒壞電源。

案例3：銅與硝酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中滴瓶的妙用

（1）銅與稀硝酸反應(yīng)

[實(shí)驗(yàn)操作] 取一只無色磨口滴瓶，在瓶內(nèi)加入少量過氧化鈉。將一根細(xì)銅絲插入膠頭滴管中，用膠頭滴管吸取稀硝酸，這時，可以觀察到滴管中的稀硝酸和銅絲開始反應(yīng)。將膠頭滴管迅速插入滴瓶中。將整個裝置放在投影儀上。觀察到銅絲表面有氣泡產(chǎn)生，溶液開始變藍(lán)色，滴管內(nèi)液面開始下降，液面上的氣體為無色。待滴管內(nèi)的溶液排盡，擠一下乳膠滴頭，滴瓶內(nèi)迅速出現(xiàn)紅棕色氣體。振蕩滴瓶，可以看到紅棕色氣體逐漸消失，滴瓶內(nèi)出現(xiàn)藍(lán)色絮狀沉淀或黑色沉淀。

[實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)] ①實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，可以反復(fù)使用；②現(xiàn)象明顯，能清楚地觀察到一氧化氮是一種無色的氣體，當(dāng)它與滴瓶內(nèi)的富氧空氣接觸迅速生成紅棕色的二氧化氮；③取材容易，節(jié)約了藥品；④全封閉環(huán)境實(shí)驗(yàn)，過氧化鈉遇水產(chǎn)生的氫氧化鈉能夠較好的吸收反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體，不污染環(huán)境。

（2）銅與濃硝酸反應(yīng)

[實(shí)驗(yàn)操作] 取一只無色磨口滴瓶，在瓶內(nèi)加入一小片銅。用膠頭滴管吸取30%的氫氧化鈉。往滴瓶中加入2-3 mL濃硝酸。然后將滴管迅速插入滴瓶。可以觀察到滴瓶中的濃硝酸和銅片開始反應(yīng)，產(chǎn)生大量紅棕色的氣體，反應(yīng)后的溶液呈藍(lán)綠色。將膠頭滴管中的氫氧化鈉擠入滴瓶中。振蕩滴瓶，可以看到紅棕色氣體逐漸消失。滴瓶中出現(xiàn)藍(lán)色或黑色沉淀。

[實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)] ①實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，現(xiàn)象相當(dāng)明顯；②該裝置可以隨時使反應(yīng)停止；③反應(yīng)后的尾氣吸收效果明顯，不污染環(huán)境。

注：案例2.案例3的幾個實(shí)驗(yàn)均在封閉容器中進(jìn)行，故制取Cl₂、NO、NO₂等氣體時，不宜求多，只要能觀察到顏色，可進(jìn)行下步反應(yīng)即可。

2與活動、探究有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和改進(jìn)

新課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的活動與探究，這就給學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備提出了更高、更多的要求，以適合學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。如何設(shè)計裝置簡單、操作方便、藥品用量少、取材容易、環(huán)境污染少的實(shí)驗(yàn)顯得迫切需要。

案例4：不用加熱的纖維素水解實(shí)驗(yàn)

[原實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)] 小火微熱，不容易控制，易出現(xiàn)棉花脫水炭化現(xiàn)象；二次加熱實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、費(fèi)時。

[改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作] 取一支小試管，放入一小團(tuán)棉花，滴加3-4滴水，然后加入7-10滴98％的濃H₂SO₄。利用濃H₂SO₄遇水稀釋時釋放的大量熱量使得纖維素發(fā)生水解，溶液呈亮棕色。

往以上溶液中，加入過量NaOH中和，再加入三滴2% CuSO₄溶液。由于NaOH和濃H₂SO₄反應(yīng)放出大量的熱量，使得反應(yīng)產(chǎn)生的Cu(OH)₂ 立刻被還原成Cu₂O，出現(xiàn)磚紅色沉淀。

[實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)] ①整個實(shí)驗(yàn)過程一氣呵成，非常流暢，實(shí)驗(yàn)成功率很高；②全封閉兩次利用反應(yīng)熱，不用加熱，節(jié)約藥品，節(jié)約時間，簡化了實(shí)驗(yàn)，符合綠色化學(xué)的指導(dǎo)思想；③該方法也可以用于淀粉的水解，蔗糖的水解。原理相同，都是以適量的水加入淀粉或蔗糖中，然后加入濃H₂SO₄以此代替課本中相應(yīng)濃度的H₂SO₄，同樣利用濃H₂SO₄遇水稀釋時釋放的大量熱量進(jìn)行水解反應(yīng)，利用中和熱進(jìn)行斐林反應(yīng)。這些反應(yīng)對H₂SO₄的濃度要求不高，較容易操作。

3 與反應(yīng)原理有關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和改進(jìn)

有些現(xiàn)象不明顯，或所需時間較長的實(shí)驗(yàn)，從反應(yīng)物角度進(jìn)行替換，可達(dá)到很好的效果。

案例5：焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新做法

[原實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)] 由于鉑絲能蘸取的溶液很少，焰色反應(yīng)很快消失，學(xué)生不易看清，特別是用藍(lán)色鈷玻璃觀察鉀的焰色更困難。

[改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作] 1.把濾紙切割成2×8 cm的紙條，把各種鹽用水與甲醇按1:2比例配制成飽和溶液；

2.把濾紙浸透鹽溶液，用鑷子夾持含有不同鹽溶液的濾紙在酒精燈火焰上點(diǎn)燃，能觀察到相當(dāng)明顯的現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)] ①準(zhǔn)備簡單、操作簡便；②沒有酒精燈火焰的干擾，現(xiàn)象明顯，觀察范圍廣，不用藍(lán)色鈷玻璃就可明顯觀察到鉀的紫色焰色。