有毒氣體的制取和性質實驗裝置系列化設計

浙江 成潔瓊 郭田田 馬志成

有毒氣體的制取和性質實驗裝置系列化設計

浙江 成潔瓊 郭田田 馬志成

高中階段，有毒氣體的制備與性質是學生的必學內容，但是由于其毒性，往往給實驗帶來困擾，本文從實驗裝置系列化的角度出發，從三個角度：實驗微型化角度、簡化實驗裝置角度、整合實驗裝置角度介紹了5種實驗裝置系列化設計，為有毒氣體的制取和性質實驗提供了很好的思路。

實驗系列化；實驗微型化；簡化實驗裝置；整合實驗裝置

高中階段化學學習中，有毒氣體主要有氯氣、二氧化硫、氨氣、二氧化氮、一氧化氮等等，它們的制取和性質，都是要求學生掌握的，但是由于它們的毒性，在教學過程中多以教師演示為主。尤其是氯氣和二氧化硫，它們的性質有很多，如果教師一個個演示，就會浪費許多化學藥品和試劑，同時有毒氣體會泄漏在空氣中，造成空氣污染，影響教師和學生的身體健康。所以，使實驗系列化，把若干個實驗組合在同一密閉系統中進行，對尾氣進行吸收處理，就是一個很好的實驗思路。

在設計系列化實驗時，要注意幾點：首先，設計者應該清楚反應的原理，然后才能設計出合理有效的實驗裝置；其次，要掌握好實驗藥品的用量，因為系列實驗的目的就是以最少的用量達到最理想的現象，我們需要讓試劑達到最充分的利用；再次，整個實驗裝置盡量組合在同一個封閉系統中，以保證有毒氣體不會泄漏逃逸，并且可以與進行性質檢驗的藥品充分接觸，獲得最佳實驗現象；最后，對于尾氣的吸收設計要合理，這樣才能培養學生良好的環境意識和綠色化思維。

本文從綠色思想出發，將有毒氣體的制取和性質實驗系列化，這樣，在教學過程中，不僅教師可以對實驗進行演示，也可以設計成為學生分組實驗，讓學生全程參與，可以在較短的時間內從整體掌握有毒氣體的制備和性質，并且鍛煉培養學生的實驗能力。下面介紹幾種實驗裝置，僅供參考。

1 從微型化角度將實驗系列化

將實驗微型化是實驗實現綠色化的有效方法之一，這里，本人介紹兩種實驗裝置以供參考。

1.1 用6孔井穴板和雙導氣管井穴塞做有毒氣體的制取和性質實驗

實驗裝置如【圖1.1】所示，以氯氣的制取和性質實驗為例，在井穴板的孔穴 1、2、3、4、5、6中依次加入高錳酸鉀溶液、濕潤有色試紙、紫色石蕊溶液、溴化鈉溶液、淀粉碘化鉀混合液、氫氧化鈉溶液。然后依次用雙導氣管井穴塞蓋上，1號的一個孔插上裝有濃鹽酸的10ml注射器。實驗開始，將注射器中的濃鹽酸注入1號孔中，不要拿走注射器，保證封閉系統，觀察實驗現象。

1.2 用W形管進行有毒氣體的制取和性質實驗

按照實驗裝置【圖1.2】所示，把兩個W形管用膠管連接起來。同樣以氯氣的制取和性質實驗為例，依次在2、3、4、5處加入幾滴高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、溴化鈉溶液、淀粉碘化鉀混合液，并在6處塞上浸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉。然后用膠頭滴管吸取濃鹽酸，從1口處加入，注意要慢慢滴加，并且膠頭滴管不能離開1管口，做成封閉系統。觀察實驗現象。

圖1.1

圖1.2

這兩個實驗裝置分別采用微型實驗中常用的井穴板和W形管，試劑用量較少，而且均將有毒氣體（如氯氣）的制備與性質實驗合并在一個密閉系統中進行，可以啟發學生進行多個問題的探究。同時，由于其微型化的特點，教師還可以安排學生分組實驗，讓學生自己動手，仔細觀察。

2 從簡化裝置的角度將實驗系列化

有效的簡化實驗裝置，可以節省實驗藥品和試劑，最小化的防止有毒氣體的逸出，同時，操作起來也比較方便，這里再舉兩例具體說明。

2.1 巧用棉花使實驗系列化

實驗裝置如【圖2.1】所示，同樣以氯氣的制備和性質實驗為例，有所不同的是，本實驗可以利用濃硫酸溶于鹽酸時放熱使濃鹽酸揮發制備氯化氫，氯化氫和高錳酸鉀反應生成氯氣，其后可以進行氯氣的一系列化學性質的實驗。圖中a處加入少量濃硫酸；b處加入 20ml濃鹽酸；1、2、3、4處的棉花分別：包有高錳酸鉀固體、蘸有紫色石蕊溶液、蘸有溴化鈉溶液、蘸有碘化鉀溶液，c處加入20ml氫氧化鈉，為尾氣吸收裝置。開始實驗時，打開分液漏斗，緩慢滴加濃硫酸，觀察現象。

本實驗完成了氯氣的制備、性質和尾氣吸收，操作簡單，多個實驗同時完成。

2.2 巧用濾紙使實驗系列化

實驗裝置如【圖2.2】所示，以二氧化硫的制取和性質實驗為例。圖中選用40mm×200mm與18mm×180mm試管各一支，a、b、c分別為亞硫酸鈉、硫酸、滴有酚酞的氫氧化鈉溶液；1、2、3分別為濕潤的pH試紙、滴有品紅溶液的濾紙、滴有高錳酸鉀溶液的濾紙。實驗步驟如下：首先檢查裝置的氣密性，然后依次裝入藥品，組裝好儀器；之后打開分液漏斗的活塞，使硫酸緩慢流下并與亞硫酸鈉粉末接觸，觀察實驗現象；最后將注射器中滴有酚酞的氫氧化鈉溶液推入大試管中，觀察現象。

圖2.1

圖2.2

本實驗將氣體制備與氣體的性質實驗整合在一個裝置中，可以有效地縮短實驗演示時間，可以通過增加濾紙條、改變滴加試劑的方法進行其他氣體性質的實驗。該裝置中制備的有毒氣體不會逸出，并能直觀地體現尾氣吸收的效果。

3 有效整合實驗裝置，將實驗系列化

將實驗裝置有效整合起來，把所有的實驗融合在一個密封系統中進行也可以作為實驗系列化的一個思路，下面以二氧化硫的制備和性質實驗為例介紹。

實驗裝置如【圖3.1】所示，需要的實驗儀器有：500ml扁形罐頭瓶（口徑6cm）、100ml燒杯、10ml燒杯、5ml燒杯（4個）、20ml注射器、7cm長針頭、大針頭、鑷子。

圖3.1

首先制作實驗裝置，根據罐頭瓶的口徑選取大小合適的橡膠塞，用打孔器在塞子上打兩個孔。其中一個孔位于橡膠塞的中心位置，從橡膠塞的下部打，不打透（剩余3～4mm），以便注射器針頭可從其上方輕松扎入。在旁邊的位置打另一個孔，打透，安裝玻璃導管作為尾氣的排除通道。在塞子底部固定一枚大頭針，拴住一朵鮮花或有色布條。

然后取4g亞硫酸鈉放入10ml的燒杯中。分別取3ml酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、氫硫酸四種試劑分別置于4個5ml的小燒杯中。用鑷子將上述5個燒杯置于罐頭瓶底部，其中10ml燒杯置于瓶底的中心位置。按照圖安裝好裝置。

用注射器吸取8ml稀硫酸，從塞子的中心孔扎入，向10ml的小燒杯中慢慢注入稀硫酸后拔出注射器。觀察實驗現象。實驗結束后用注射器吸取少量的氫氧化鈉溶液，傾斜注入罐頭瓶中（注意不要將其注入小燒杯中），輕輕振蕩。最后，取出裝有品紅溶液的小燒杯，用酒精燈加熱后觀察實驗現象。

本裝置比較適合教師的演示實驗，用扁形罐頭瓶作為反應容器，增強了實驗的可視性。所有的反應都在封閉系統中進行，能有效防止有毒氣體的逸散。

以上從三個方面，介紹了5種使實驗系列化的方法。根據這幾個思路，我們可以開發更多的系列實驗，改善我們的實驗環境，讓實驗不僅僅是教師演示，同時也可以是學生參與，并且實驗改進有助于幫助啟發學生理解實驗原理，開拓學生思路，啟發學生進行多個問題的探究。

4 中學化學有毒實驗綠色設計思考

4.1 科學改進實驗操作，消除實驗污染源

化學實驗過程中常常會伴隨有氣體、液體或固體產物的生成，而這些產物中許多是屬于有害或有毒的物質，特別是有毒氣體不僅會直接影響到師生的健康，而且逸散到空氣中還會對大氣造成污染。例如：在利用實驗研究金屬銅與濃、稀硝酸的反應時，若按照教材的實驗操作，將會產生一定量的二氧化氮或一氧化氮氣體，危害師生身體健康并污染大氣環境。如果從綠色化學的角度出發，把此實驗進行改革，既可明顯地觀察到發生的現象，掌握銅與濃、稀硝酸反應的實質，又能避免二氧氮或一氧化氮的逸出，消除對環境污染的危害，并通過教學逐步向學生滲透綠色化學的意識。

4.2 科學規范實驗操作，增加尾氣吸收裝置

化學實驗中，師生都要接觸有害物質和無害物質，在實驗中也會聞到有害和無害氣體。因此，必須指導學生要嚴格按照實驗操作的程序，有條不紊地進行各種實驗。正確地聞氣體、取藥品、取有毒性原料，甚至如何蓋瓶蓋、放置試劑、取藥品的各種工具的選用、取用藥品量的多少都要向學生交代清楚；改進實驗方法，設計合理的實驗裝置。盡量采用封閉措施，減少師生被動接受有毒有害氣體的污染。如在制取硫化氫、二氧化硫、氯氣、氯化氫、一氧化氮、二氧化氮、氨氣、一氧化碳等氣體時一定要通過演示實驗講清吸收的原因（有害氣體不允許直接排放到大氣中），強調尾氣吸收的重要性，使學生深深認識到只要涉及氣體的制備問題就應考慮尾氣處理。

4.3 精心組裝整合實驗，減少實驗污染次數

組裝整合實驗是指通過調整實驗的操作，把幾個分散的實驗組合成一個整體。連續做一個系列實驗，同時使一個實驗的產物成為下一個實驗的原料。這種教學方法不僅能滲透綠色化學教育的思想，而且還能較好的檢查學生的操作技能和實驗教學效果。例如，在講授氨氣的性質和制法時，教師往往會利用噴泉實驗說明氨氣的溶解性及溶于水后溶液呈堿性的知識，然后再進行氨氣的實驗室制法的講授。這樣會多次制取氨氣，會使氨氣多次污染空氣。若將二者進行有機結合，通過整合實驗裝置進行實驗演示，然后進行裝置的分析講解，既能達到講授知識的目的，又能很好的避免氨氣對環境的多次污染。

4.4 積極推行微型實驗，有效控制環境污染

目前，在常規實驗中，藥品用量較多不僅造成浪費，還會污染環境。因此，在實驗中可用玻璃管制成各種可加熱儀器的替代實驗儀器，用點滴板等進行微型系列實驗。這種方法藥品用量少、反應產物少、操作安全，實驗不會造成危險，對環境的污染程度較輕。同時也達到了實驗的目的。如硝酸銀溶液和稀鹽酸的反應，要求學生不用試管做實驗，而是改用點滴板，實驗時只需取一滴稀鹽酸在孔穴處，在取一滴硝酸銀溶液滴在孔穴處，立即可見白色沉淀生成，然后取一滴稀硝酸滴入沉淀中，沉淀不溶解。通過實驗，學生很容易得出結論：稀鹽酸與硝酸銀反應生成不溶于稀硝酸的白色沉淀。操作中不僅收到了良好的實驗效果，而且把化學實驗與環境教育有機結合、滲透，進一步增強了學生的綠色環保意識。

[1]陶秀梅,曾廣華.有毒氣體性質實驗的改進[J].教學儀器與實驗,2009,(8).

[2]彭實,劉鴻.中學化學實驗綠色化研究[M].北京:人民教育出版社,2010.

[3]馬志成.中學化學實驗教學綠色實踐[J].中學化學教與學,2003,(11).

【注】項目來源：溫州大學2010年教師教育專題研究項目“基于教師專業發展校本教研模式理論與實踐——高中化學學科為例”研究成果之一。

（作者單位：成潔瓊，郭田田，溫州大學化學與材料工程學院在讀研究生，主要從事高中綠色化學與課程開發研究；馬志成,溫州大學化學與材料工程學院教授、碩士生導師,主要從事綠色化學、化學科學課程教學論的教學與研究）

（編輯 劉麗娜）