無機化學微型實驗的應用與利弊

陳菲

摘要：微型化學實驗是指在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，具有污染少、費用低、效果好等優點。本教學組對大一無機化學實驗教學微型化進行了一些嘗試，結果表明：學生對微型實驗接受良好，普遍認為微型實驗不影響實驗效果，現象易于觀察，試劑用量與排放均大幅度減少。但對大一本科實驗而言，微型實驗不能完全代替常規實驗，必須綜合進行，在開放性實驗中則可自行選題完全設計為微型實驗。

關鍵詞：無機化學；微型實驗；實驗體系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）05-0252-02

微型化學實驗是指在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，其基本特征包括試劑微量化和儀器微量化[1]。它具有節省試劑、減小污染、縮短時間等優點，符合化學實驗綠色化的5R原則：減量（reduction）、循環利用（reusing）、回收（recycling）、再生（regeneration）、拒用（rejection）。微型化學實驗自開展起來，在我國受到廣泛關注，實驗技術日益完善[2]。無機化學實驗課程在我校大一全年開設，實驗人次較多，藥品需求量大，所用試劑超過一半是有毒或者無毒但能造成環境污染的。為此，我們在規定實驗的基礎上，對大一部分專業開展的無機化學實驗課程開展了微型實驗教學的嘗試。

在推廣學生實驗前，教師首先確定微型實驗體系的大致框架。學生實驗主要限定于定性實驗，設計為在井穴板中進行。常規無機化學實驗基本為試管實驗，涉及的操作主要有稱量、加樣、滴管、混合、加熱、攪拌、離心、萃取、結晶、過濾等。但微型化學實驗的操作方法與常規儀器不同，加熱、萃取、沉淀分離（離心、過濾等）等操作也因儀器本身的限制仍需做常規實驗[3，4]。根據以上限制，我們在目前開設的無機化學實驗中選擇三個實驗項目（電解質溶液、氧化還原反應、配位化合物）作為微型化學實驗的試點。教師先行實驗確定適合進行微型實驗的內容，并對其中少量實驗步驟進行調整以適應微型實驗儀器和操作的要求，例如：（1）部分實驗現象通過顏色改變來觀察，如果試劑用量過少則變色不明顯，可調整濃度；（2）在井穴板中加固體試劑不易溶解，可考慮改成液體試劑等。確定實驗內容并驗證后，教師編寫實驗講義發給學生。講義中要求學生用常量實驗方法與微量實驗方法同時進行實驗，并對實驗結果進行分析、評價，提出改進建議。

一、微型實驗教學實施效果

實驗前，教師要求學生進行預習，查找相關資料，熟悉微量實驗與常量實驗的差別。實驗過程中，應及時記錄現象，實驗結束后清洗回收井穴板，對比常規實驗結果，討論微型實驗現象是否明顯易觀察，操作是否可行，記錄需改進部分，并總結感受提出建議。教師觀察到，實驗過程中，學生對井穴板的操作上手很快。因試劑用量少，對比實驗都在孔中進行，滴加試劑和清洗的時間減少，基本上微型實驗時間比常規實驗時間縮短三分之一到四分之一。學生普遍認為微型實驗最大的優點是操作快速簡便，井穴板中的實驗均具顯著效果，實驗現象明顯，如KMnO4與NaSO3的反應，三個井穴孔中的顏色對比一目了然，又節約了實驗時間。從學生反饋來看，基本上都能夠接受微型實驗這種實驗方式，并認為微型實驗確實能夠在不影響實驗效果的基礎上，實現減少試劑用量、減輕實驗室排放的目的。部分學生在對比后提出，微型實驗所需時間短，某些實驗內容可進一步細化，例如實驗內容“酸度對氧化還原反應速率和產物的影響”中，可增加不同酸度對反應的影響。學生在課后思考中提出，“電解質溶液”實驗中有關“沉淀溶解”的部分中可以更換更無毒的藥品而達到相同的效果，例如用Ca（NO3）2和K2CO3反應代替Pb（NO3）2和KI，以減輕污染又不影響實驗目的。說明學生能夠根據已有的知識開闊思維，主動思考實驗相關問題，探索更好的綠色化學實驗，而不是單純被動完成實驗內容，這較好地改善了學生的學習態度與思維能力。因此微型實驗有利于引導學生更改實驗條件、發現問題、應用理論知識總結問題。

周密、精確和系統的觀察是一切科學實驗、科學新發現的基礎。微型實驗的化學試劑用量少，反應時間縮短，這就對學生的觀察能力提出了更高的要求，操作上必須更加仔細、認真，態度嚴謹，必須集中精力去觀察，學生對實驗現象印象更加深刻，有利于提高學生的動手能力和培養學生嚴謹的科學態度。同時，學生也意識到，對于定性實驗，并不是一定要試劑量大才能得到結果，采用微型實驗能得到相同的結論，且儀器清洗方便快捷。在減輕污染方面，微型實驗試劑用量少使實驗桌上環境更整潔，三廢排放大大減少，不僅改善了實驗室的工作環境，學生也反饋提出通過微型實驗切實注意到了化學實驗與保護環境的密切關系，在實驗中更加認真操作避免浪費藥品，環保意識得到了增強。微型實驗試劑用量為常規實驗的10%～30%左右，降低了實驗員的工作強度。微型實驗主要采用井穴板，該儀器由透明的聚苯乙烯或有機玻璃經精密注塑而成的，儀器破損也明顯減少，且可循環使用，這樣可大量節約實驗經費。

二、微型實驗的利弊與存在問題

本教學組比較成功地將微型實驗應用到了大一學生無機化學實驗中。學生接受程度較好，不影響實驗原有結果。學生實驗完成后要進行相關思考，自行對比常規實驗結果，用于討論解答實驗過程中出現的各種現象和問題，這提高了學生的實驗能力、自學能力、分析問題和解決問題的能力。微型實驗試劑量少，儀器小，反應快，縮短了實驗時間，可適當增加對比性實驗內容和元素化學實驗內容，增強學生對相應內容的理解，提高學生的探究能力。同時，試劑損耗以及廢液排放大幅度降低，提高了學生的環保意識，降低了實驗成本。

不足之處主要體現在：（1）微型實驗儀器體積小，操作簡易，容易使學生忽視基本操作的規范性，這就要求教師首先應強調規范操作的重要性，進行學生基本操作的訓練，同時加強課中指導。（2）某些實驗試劑用量太少現象不明顯，實驗效果不理想，如某些性質實驗，藥品量少必然導致顏色淺或是沉淀量少，不易觀察。（3）加熱、萃取、分離等操作不適合在微型儀器中進行，一些合成實驗無法微型化。（4）井穴板對某些試劑有明顯的吸附作用，長時間后難于清洗，如高錳酸鉀等有顏色的溶液。因此在本科的實驗教學中只能是微型實驗與常規實驗的有機結合。部分學生提出，微型實驗占的比重偏低，在無機化學實驗中的操作相對比較簡單，可以考慮在開放性實驗中開展微型實驗。根據本校開設的實驗特點，具體實施可有幾種形式：（1）學生自選實驗課題，自行查找資料，自制實驗器具或利用微型實驗儀器箱；（2）將常規實驗中一些連續性強、步驟多的合成實驗單獨抽出，減量設計為小型實驗；（3）如何將現有實驗中一些小型合成實驗串聯起來，產物可在不同實驗中使用，提高藥品使用率。這樣可以充分地利用微型化學實驗的優勢，開闊學生視野，促進學生充分思考，避免被動接受，提高其創新能力和動手能力，為培養創新型人才打下基礎。

參考文獻：

[1]李晉國.微型化學實驗教學資源開發利用的原則和策略[J].長治學院學報，2012，（2）：63-65.

[2]周寧懷.微型無機化學實驗[M].北京：科學技術出版社，2002.

[3]李成未，鄭會勤，司晚令.無機化學實驗綠色化設計與研究[J].河南教育學院學報（自然科學版），2011，20（3）：59-61.

[4]韓春平.微型化學實驗在教學改革中的應用[J].內蒙古民族大學學報，2012，18（2）：141-142.endprint