新課程下化學實驗微型設計的案例及分析

陳志高

摘 要：微型化學實驗體現了綠色化學理念，是化學實驗改革的一種必然趨勢。本文根據微型化學實驗的設計原則，通過對二氧化硫化學性質實驗、銅與稀硝酸反應及原電池原理進行微型化設計，以體現微型化學實驗試劑用量少、效果明顯、實驗安全，激發學生學習興趣，從而彰顯微型化學實驗在化學實驗教學中的顯著作用。

關鍵詞：新課程 微型化學實驗 設計案例 分析

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）02（c）-0100-01

微型化學實驗（Microscale Chemical Experiment簡稱M.L）是美籍華裔學者馬祖圣[1]在其編著的《化學中的微型操作》首次提出的。它是化學實驗方法中創新型的變革，近年來在國內外的發展很快。它是指微小量的化學試劑在微型化學儀器裝置中進行的一系列化學實驗[2]。它的化學試劑用量一般只有常規實驗用量的幾十分之一乃至幾千分之一。實驗效果顯著，且節能、環保、安全、方便。在新課程中引入微型化學實驗，有利于激發學生的學習興趣，培養學生的動手、觀察、思維、自學等能力，勢在必行。

1 微型化學實驗設計原則[3]

微型化學實驗設計應該遵循：（1）科學性原則，要求實驗原理、實驗裝置、實驗操作科學規范。（2）可行性原則，要求實驗方案可行，現有實驗儀器、試劑、設備和方法能滿足實驗要求。（3）簡約性原則，要求實驗方案簡單，試劑省，時間短，效果好。（4）安全性原則，要求實驗安全可靠、無污染、可循環。（5）創新性原則，要求實驗綠色、環保、有創意。（6）實踐性原則，要求實驗設計可廣泛地應用于化學實驗教學。

教學與實驗同步進行，將全班學生一、三、五排的向后轉，與對應的二、四、六排學生組合成約12個四人一組的實驗小組進行實驗。

2 微型化學實驗的設計案例

2.1 二氧化硫的化學性質實驗（見圖1）

實驗原理：

二氧化硫是一種無色、刺激性氣味的有毒氣體，是酸性氧化物，有還原性、氧化性、漂白性。相關化學性質可通過與紫色石蕊試液、高錳酸鉀溶液、溴水、硫化鈉溶液及品紅溶液的反應來驗證。

藥品及儀器：醫用過干燥250 ml輸液瓶（帶塞）中預制SO2氣體一瓶，已盛有0.5 ml： ①飽和Na2S（或H2S）溶液；②Br2水；③酸性KMnO4溶液（0.01 mol/l）；④品紅溶液；⑤紫色石蕊試液的青霉素瓶（帶塞）各一個，NaOH溶液（6 mol/L），5 ml一次性注射器2個，小試管一支。

操作及過程：用5 ml一次性注射器抽取已制備好的二氧化硫氣體約3～4ml分別扎入盛有：①飽和Na2S（或H2S）溶液；②溴水；③高錳酸鉀溶液；④品紅溶液；⑤紫色石蕊試液的小青霉素瓶中，充分振蕩，觀察各瓶中的現象。再用另一只注射器抽取；④號小青霉素瓶中的無色溶液注入小試管中，并在酒精燈上加熱，觀察溶液顏色變化。

現象及結論：①瓶硫化鈉溶液中有淺黃色物質析出；②瓶中溴水褪色；③瓶中紫色高錳酸鉀溶液褪色；④瓶中品紅溶液褪色；⑤瓶中紫色石蕊試液變紅；將試管微熱一會兒對應④復現紅色。該實驗操作簡單，現象明顯，節約藥品，便于清洗，始終在密閉環境中進行無污染。

相關反應的主要方程式為：

①5SO2+2Na2S+2H2O=3S↓+4NaHSO3

②SO2+2H2O+Br2=H2SO4+2HBr

③5SO2+2KMnO4+2H2O=K2SO4+ 2MnSO4+2H2SO4

2.2 銅與稀硝酸的反應

（1）藥品和儀器。

稀硝酸（3 mol/l），銅片，NaOH溶液（6 mol/l），注射器（20 ml），試管，小燒杯。

（2）原理及操作。

先將一無色的小氣球扎在青霉素瓶的膠塞上，用帶針頭的注射器抽干氣球內的空氣備用。將3 g細銅絲放入20 ml注射器中壓平擠出空氣，吸入15 ml熱稀硝酸，并將針頭扎進膠塞，使注射器中產生的氣體進入氣球，觀察無色氣體NO的生成，當氣球充滿后，拔出針頭，將酸液擠出，反應隨即停止，另用注射器吸入10 ml空氣注入氣球，觀察氣體由無色變成紅棕色，實驗完成后，用注射器抽取紅棕色NO2氣體，推入堿液吸收。

2.3 原電池原理實驗（見圖2）

（1）儀器及藥品。

分別插有0.25 mm鋅絲、0.25 mm銅絲的青霉素瓶膠蓋各一個，同時插有0.25 mm鋅絲、0.25 mm銅絲（不接觸）的青霉素瓶膠蓋一個，盛有約三分之一體積稀硫酸、酒精的青霉素瓶各一個，帶鱷魚夾的導線兩段，檢流計（或萬用表）一個。

（2）實驗過程。

打開盛稀H2SO4青霉素瓶膠蓋，將膠蓋上帶的0.25 mm鋅絲插入稀H2SO4中觀察—— 鋅絲表面產生大量氣泡；再將另一膠蓋上帶的0.25 mm銅絲插入稀H2SO4中觀察——無明顯現象；取出后再將膠蓋上同時帶有0.25 mm鋅絲、銅絲的膠蓋插入稀H2SO4中觀察，鋅絲上氣泡逸出，通過鱷魚夾分別將鋅絲、銅絲與檢流計的兩極相連——鋅絲上的氣泡大大減少，而在銅絲上有氣泡逸出，檢流計的指針偏轉；若將稀H2SO4換成酒精—— 現象不復存在。由此得出構成原電池的三大條件：①要有兩根活性不同的金屬（或金屬和非金屬）做電極；②電極均須插入電解質溶液中；③兩極之間必須相互連接或接觸。原電池的常規實驗需消耗大量的酸液，微型改進后耗酸量比原來的千分之一還少，學生的參與熱情和合作意識空前高漲，有力提高了教學效益。

3 結論

微型化學實驗在激發學生學習興趣，強化動手，培養創新思維和綠色化學觀念等方面有著獨到功效。是中學化學教育的一次創新性變革，它不僅可以逐步改變我國長期以來重理論、輕實踐、讓學生在課上畫實驗、課后背實驗的不良教學狀況，而且可以改變化學實驗以往在學生心目中的不良印象，使化學實驗真正成為化學科實施素質教育的重要途徑。

參考文獻

[1] 黃亞麗.微型化學實驗及其推廣應用[J].漳州師范學院學報，1999，12（3）：78-81.

[2] 周懷寧，王得琳.微型有機化學實驗[M].北京科學出版社，2002.

[3] 朱兵，吳天龍，朱綺琴，等.化學實驗改革的新方向—— 微型實驗[J].化學通報，1991（9）：50-52.