高中化學實驗裝置改進案例分析

胡愛霞 張永強

摘 要 高中化學實驗課是化學這門課程的重要組成部分，學生通過觀察實驗現象總結實驗規律，進一步揭示化學反應的本質。伴隨著信息化教學的普及，高中化學實驗課成為學生獲取知識、培養能力的重要手段。在化學實驗課教學中，不斷創新和改進裝置設計，做到實驗裝置設計微型化、環保化等，可以培養學生的探究能力、動手能力，增強學生的環保意識。

關鍵詞 化學實驗；高中化學；儀器裝置

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）13-0121-03

1 引言

高中化學新課程標準提出，在高中化學實驗中，學生通過實驗探究活動，準備實驗藥品、實驗儀器裝置，親身體驗實驗探究的過程，充分認識到化學實驗在化學這門學科中起到的重要作用，應使高中化學實驗課成為學生獲取知識、培養能力的重要手段。在化學實驗課教學中不斷設計創新裝置，做到實驗裝置設計微型化、環保化等，可以培養學生的探究能力、動手能力，增強學生的環保意識[1]。

高中化學實驗主要涉及三大部分的內容：化學實驗常用儀器的用途和使用方法；化學實驗儀器裝配、藥品取用以及簡單的操作；物質的制備和性質檢測實驗等。本文主要分析高中化學創新裝置設計的原則，然后結合高中化學實驗內容列舉幾個具體的創新裝置改進實驗，為相關教師提供教學參考。

2 實驗裝置改進的目的和意義

在高中化學實驗教學中，按照實驗的要求進行實驗裝置改進的目的是更好地服務實驗教學[2]。如除雜實驗，氮氣中混有少量的氧氣，選擇除雜質試劑需要注意除去氧氣的同時，不能和氮氣反生化學反應，也不能產生新的氣體，盡量采用固體消耗混雜的氣體。

符合科學實驗要求 實驗裝置改進必須符合科學事實，要結合化學實驗的實驗原理、實驗目的、實驗方法和實驗步驟等進行實驗裝置的創新設計[3]。如硫的燃燒實驗及生成物性質的檢驗中，若是在空氣中直接燃燒生成的二氧化硫，會污染空氣；改進裝置后，實驗在相對密閉的環境中進行。因此，改進裝置更符合科學實驗要求。

體現環保理念 改進實驗裝置要體現環保理念。對于實驗中產生的廢氣、廢水和廢物質要及時回收，對于一些可以循環使用的原料，進一步回收以循環利用。如尾氣中含有二氧化硫、氯氣、硫化氫或者三氧化硫等氣體的氣體制備實驗中，可以采用氫氧化鈉溶液進行尾氣的吸收。

提高實驗的安全性 實驗裝置的改進本著“安全無小事”的思想，確保實驗過程中操作規范，實驗設備裝置的安裝和拆卸都合理。如改進后的高中化學實驗中裝備的安裝順序一般為由左到右、由下到上，操作過程順序一般為安裝設備→檢驗整套裝置的氣密性→添加實驗藥品→進行實驗操作。

體現節約型原則 主要體現在改進設計過程中采用盡量少的儀器、用到盡量少的試劑、采用盡量簡化的實驗步驟。如改進洗氣裝置，可以采用雙耳球代替洗氣瓶，實驗過程中避免試劑的浪費。

3 化學實驗裝置改進案例分析

案例一：硫的燃燒及二氧化硫的性質實驗 硫是高中化學中比較重要一種非金屬元素，單質硫性質比較活潑，可以和空氣中的氧氣發生化學反應生成二氧化硫，也可以和金屬鐵反應生成硫化亞鐵，和金屬銅反應生成硫化銅。但是硫的氧化物會污染空氣，所以在二氧化硫的性質檢測實驗中要注意實驗裝置的改進。

高中化學實驗中采用三套裝置進行硫的燃燒和性質檢測實驗。圖1中主要畫出硫的燃燒實驗裝置圖。操作中在試管中加入適量的硫粉，用酒精燈進行加熱，加熱一小會兒后開始通入空氣，單質硫在試管中進行燃燒，生成的氣體被氫氧化鈉溶液吸收。

圖2是二氧化硫性質的檢測實驗裝置圖，兩個試管用橡皮塞塞緊，上面插入分液漏斗，其中一支試管中通入適量的二氧化硫氣體，注意用橡皮塞子塞緊；另一支試管中不通入二氧化硫氣體。在操作過程中將通入二氧化硫氣體的試管迅速換上盛有紫色石蕊試液的分液漏斗，沒有通入氣體的試管中換上盛有純凈水的分液漏斗，打開連通兩個分液漏斗的活塞，觀察實驗現象。

圖3是二氧化硫與溴水和高錳酸鉀溶液的反應裝置圖，主要通過擠壓膠頭滴管，試管中盛有溴水或者高錳酸鉀溶液，觀察二氧化硫水溶液滴入溴水或者高錳酸鉀溶液后，溶液顏色的變化。同樣，二氧化硫可以使品紅溶液褪色的實驗也可以采用這個裝置。

改進實驗設計之后，可以把圖1、圖2和圖3裝置圖綜合成一個裝置，如圖4所示。

圖4所示二氧化硫制備以及性質實驗創新裝置圖基本整合了圖1、圖2和圖3的裝置圖，實驗目的：制備二氧化硫氣體并且進行二氧化硫性質的檢測實驗。主要需要的實驗用品有單質硫、品紅溶液、石蕊試劑溶液、溴水溶液、高錳酸鉀溶液和氫氧化鈉溶液，酒精燈、鐵架臺、玻璃導管和安全瓶等。試管中裝有單質硫的粉末，安全瓶中分別盛有品紅溶液、石蕊溶液、溴水溶液和高錳酸鉀溶液。實驗過程中首先檢驗整套裝置的氣密性，然后點燃酒精燈，同時通入空氣，觀察各個裝置中溶液顏色的變化。實驗過程中注意在第一個安全瓶里加入熱水，再次觀察品紅溶液顏色變化。學生通過觀察四個安全瓶中顏色的變化，做出總結：

盛有品紅溶液的安全瓶中通入二氧化硫氣體之后，品紅溶液褪色，而換成熱水之后，品紅溶液又恢復了原來的顏色，證明二氧化硫氣體可以使品紅溶液褪色，具有漂白的性質，但是漂白之后的生成物不穩定，加熱可以進行分解。二氧化硫氣體通入石蕊溶液后，發現無色的石蕊溶液變紅色，證明二氧化硫氣體溶于水中，溶液呈現酸性。二氧化硫氣體通入溴水溶液后，發現溴水溶液褪色，證明二氧化硫氣體具有強氧化性，可以和溴發生化學反應。同理，二氧化硫氣體通入高錳酸鉀溶液中，高錳酸鉀溶液變色，證明二氧化硫氣體具有強氧化性。

改進后實驗裝置性能分析：整套實驗裝置采用的實驗用品都比較簡單，一次性制備了二氧化硫氣體，并進行了漂白性、酸堿性和強氧化性的檢測，最后對多余二氧化硫氣體進行了尾氣吸收，減少對環境的污染。因此，改進之后的實驗裝置具有簡單可操作性、環保性等優點，學生在實驗過程中可以進行靈活操作，實驗現象比較明顯，便于對二氧化硫性質的掌握。

案例二：利用啟普發生器制備氣體的實驗 啟普發生器主要用于塊狀固體和液體之間的反應，不用于加熱的反應，制備的氣體不能或者不易溶于水，因此，高中化學實驗中氫氣、二氧化碳氣體、硫化氫氣體、一氧化氮氣體和二氧化氮氣體等都可以采用啟普發生器進行制備。

圖5中畫出類似啟普發生器的實驗裝置圖（自左到右分別為裝置1～裝置5）。裝置1和裝置2的優點是實驗中比較容易操作，并且操作起來比較安全；缺點是實驗過程中液體的滴加量不易控制，很容易導致反應物的添加過量。裝置3的優點是可以隨時控制實驗的進程，學生在實驗操作過程中比較靈活；缺點是這套裝置需要的藥品消耗量比較大，不利于節約藥品。裝置4的特點類似于微型化啟普發生器[4]，實驗過程中可以隨時控制實驗進程，藥品的消耗量比較少，整個實驗比較節約成本，但是對于大量氣體的制備不適合。裝置5比較適合教師進行演示實驗，整套裝置比較簡單，容易操作，反應過程可以隨時進行和停止，同時采用分液漏斗后，液體或者藥品的添加量很容易進行控制，但不適合學生在實驗室進行氣體的制備。

“一氧化氮的制備及性質實驗”可以采用圖6和圖7所示創新實驗裝置。

實驗原理：銅和濃硝酸反應制備一氧化氮。主要化學反應方程式：Cu+4HNO3（濃）→Cu（NO3）2+2NO↑+2H2O。采用圖6實驗創新裝置圖，主要應用的實驗用品有試管、玻璃導管、分液漏斗、酒精燈、銅絲、濃硝酸、濃硫酸、氫氧化鈉溶液、酸堿指示劑等。實驗步驟：首先檢查裝置的氣密性，在試管中加入適量的稀硝酸溶液，同時把纏繞細銅絲的分液漏斗伸入濃硝酸溶液中；橡皮塞塞緊后，學生可以觀察到銅絲表面立刻產生大量氣泡，整個試管很快被紅棕色氣體填充；但是伴隨著化學反應的不斷進行，生成的一氧化氮氣體被燒杯中的氫氧化鈉溶液吸收，采用倒立式漏斗裝置進行氣體防倒吸處理實驗。這種裝置的優點是增大了氣體和吸收液氫氧化鈉溶液的接觸面積，而且伴隨著氣體的不斷吸收，玻璃導管內的大氣壓強減小，燒杯里的吸收液上升到漏斗中，液面開始下降，導致漏斗口離開吸收液液面，但是由于自身重力的影響，還會回到燒杯內，防止液體進行倒吸。

圖7實驗創新裝置圖為銅和稀硝酸的反應，主要應用的實驗用品有圓底燒瓶、長頸漏斗、U形管、玻璃導管、稀硝酸溶液、細銅絲和氫氧化鈉溶液等。反應的主要方程式：3Cu+8HNO3（稀）→3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。這套創新性實驗裝置在操作過程中的注意事項：

1）稀硝酸的濃度不宜高，否則會影響一氧化氮的產率；但也不要太低，否則會影響化學實驗速率，一般采用稀硝酸的體積比為1：4；

2）細銅絲實驗前需要進行打磨，否則含有氧化銅或者其他氧化物，影響制備氣體的純度；

3）膠塞塞住注射器前必須保證是真空，否則生成的一氧化氮很容易發生氧化。

改進后的裝置性能：整套裝置操作簡單，保證了制備氣體的純度，同時有利于教師對實驗過程的調控，實驗中注重對尾氣的處理，培養了學生的環保意識。

參考文獻

[1]許力，王九思，沈彤.設計綜合化學實驗裝置時的創新思維方式[J].甘肅聯合大學學報：自然科學版，2006（4）：41-42.

[2]王德芹，李念洋，柴勇.利用創新裝置推進高中化學實驗教學[J].中學化學教學參考，2015（4）：42.

[3]馬志超.高中化學實驗裝置創新三法[J].當代化工研究，2016（12）：51-52.

[4]陳國民.微型化學實驗創新（三）反應碟：微型氣體產生和測試裝置[M]//中國化學會：第七屆全國微型實驗研討會暨第五屆中學微型實驗研討會論文集.2007：4.