例談中學化學教材實驗的微量化設計

姚亮發 林師龍 鄭柳萍 張賢金

摘要： 對中學化學教材實驗進行微量化設計，有利于培養學生的環保意識、節約意識和創新意識。從微量化、一體化角度對“銅與濃硝酸反應”“硫在氧氣中燃燒”“銨態氮肥與堿共熱生成氨氣”等三個產生有害氣體的實驗進行改進，減少了反應物的用量，同時將敞口實驗裝置改成密閉式體系，有效防止有害氣體對空氣的污染，既節約實驗藥品，又體現環保理念。

關鍵詞： 濃硝酸性質; 硫的燃燒; 銨態氮肥的檢驗; 微量實驗; 一體化設計

文章編號： 10056629（2020）12006403

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

化學微量化實驗是指實驗試劑用量比常規實驗試劑用量少，但仍使用常規儀器進行的化學實驗，克服了微型化實驗中實驗儀器過小、實驗現象可見度低的弊端[1，2]，具有污染少、時間短、操作簡單、實驗現象明顯等優點。各版本中學化學教材中有部分實驗裝置是敞口體系，在操作中會產生有害氣體。雖然很多學校的實驗室都建有通風櫥，但因其數量有限，無法滿足多個班級同時教學，導致這類實驗通常只能在普通教室中進行。試劑微量化實驗可以使有害氣體的產生量盡可能減少，且裝置一體化能有效地處理尾氣，從而防止實驗過程中有害氣體的污染。本文以三個實驗為例探討在實際教學中從環保、安全和節約的角度進行微量化、一體化的實驗改進和創新，不僅可以節約實驗藥品，還可以培養學生的環保和安全意識。

1銅與濃硝酸反應

1.1問題背景

魯科版高中教材《化學1》中“銅與濃硝酸反應”的實驗裝置是敞口設計的，在反應開始后，因銅片浸泡在濃硝酸中，控制反應停止的操作不太方便，使得反應生成的NO2難以被NaOH溶液完全吸收，從而造成空氣污染。

1.2設計思路

有關銅與濃硝酸反應的改進已有報道[3]，筆者將反應裝置和尾氣處理裝置有機整合，從減少反應物的量、防止生成的NO2逸散以及控制反應的發生和停止的角度對該實驗進行研究改進，設計了更符合環保理念的實驗裝置。該裝置能隨時控制反應進行與停止，防止

多余NO2的產生，集微量化和一體化等優點，使裝置更簡約，實驗現象更明顯，減少了環境污染，既適合課堂演示，又可以讓學生分組實驗。

實驗儀器與藥品： 50mL容量的小廣口瓶、3mL容量小塑料杯、濃硝酸、1%的NaOH溶液、粗銅絲（裝置如圖1所示）

1.3實驗操作步驟及關鍵點

（1） 先在小廣口瓶中加入4mL 1%的NaOH溶液，用滴管取1mL濃硝酸加入小塑料杯中，用鑷子將小塑料杯小心放進裝有NaOH溶液的小廣口瓶中。

（2） 將帶有粗銅絲（銅絲下端繞成1圈螺旋狀，不要多繞，防止反應太劇烈）軟膠塞塞緊小廣口瓶，粗銅絲下端伸到小塑料杯口，先不要與濃硝酸接觸。

（3） 往下推動粗銅絲，使粗銅絲下端浸入小塑料杯濃硝酸里，可觀察到銅絲表面有氣泡產生，紅棕色氣體從小塑料杯口向外擴散，小塑料杯中的濃硝酸變為綠色。

（4） 紅棕色氣體產生后，立即往上提粗銅絲，使粗銅絲與小塑料杯的濃硝酸脫離，反應立即停止進行。

（5） 靜置，可觀察到小廣口瓶中紅棕色氣體逐漸變淡，一段時間后紅棕色氣體全部消失。

1.4裝置創新點

該裝置采用微量化、一體化設計[4]，反應和尾氣處理都在密閉容器中進行，有效防止NO2氣體的逸散，減少空氣污染;藥品用量少，操作簡便，實驗現象明顯，可隨時控制反應的發生和停止;因反應生成的NO2氣體會較快被小廣口瓶中的NaOH溶液吸收，不用再設計氣球收集尾氣等裝置。

2硫在氧氣中燃燒

2.1問題背景

人教版九年級教材《化學（上冊）》中“氧氣性質”實驗23“硫在氧氣中燃燒”的實驗操作是： 用燃燒匙裝少量硫粉，先在空氣中點燃硫粉，硫粉燃燒后，將燃燒匙伸入集滿氧氣的集氣瓶中，仔細觀察實驗產生的現象。在課堂上演示該實驗時雖然已在集氣瓶中裝少量水，但由于該實驗是敞口進行的，導致實驗產生的SO2逸散到教室中，對空氣造成了污染。SO2是空氣中有害氣體之一，故該敞口設計不符合環保理念。學生對硫在氧氣中燃燒的實驗特別感興趣，按照教材設計的實驗只適合于教師演示實驗，不適合用于學生分組實驗。

2.2設計思路

雖然已有不少同仁對硫在氧氣中燃燒實驗進行改進，但筆者從反應物的用量和防止SO2逸散的角度對該實驗進行改進，采用微量化和一體化思路設計實驗裝置，能有效防止實驗過程中SO2逸散到空氣中造成污染，體現環保理念。該裝置既適合教師演示實驗，也滿足學生分組實驗的要求。

實驗儀器與藥品： 礦泉水瓶（500mL）、集氣瓶（125mL）、培養皿（30mL）、用酒精噴燈加工成簡易小燃燒匙的玻璃棒、硫粉、1%的NaOH溶液（裝置如圖2所示）

2.3實驗操作步驟及關鍵點

（1） 取1個500mL的礦泉水瓶，從底部五分之一處切開，留上部分。

（2） 用排水法收集1瓶氧氣，瓶底預留少量水，將集氣瓶放在培養皿上，在培養皿中慢慢倒入10mL左右1%的NaOH稀溶液，注意不要讓溶液濺出來。

（3） 先用酒精噴燈將玻璃棒一端加工成簡易小燃燒匙，在加工成的簡易小燃燒匙中放入約0.2g硫粉，用酒精燈點燃燃燒匙中的硫粉，待硫粉燃燒后，將帶有軟膠塞的玻璃棒伸入礦泉水瓶并塞緊瓶口，移走集氣瓶玻璃片，將玻璃棒伸入集氣瓶中，使帶有玻璃棒的無底礦泉水瓶套在集氣瓶外（見圖2）。

（4） 觀察到硫粉劇烈燃燒起來，產生明亮的藍紫色火焰，因整個反應在一個密閉的體系中進行，且采用微量化設計，生成的SO2被NaOH稀溶液吸收，不會逸散到礦泉水瓶外，避免對空氣造成污染，體現了環保理念。

2.4裝置創新點

該微量化實驗將常規燃燒匙改成玻璃棒加工制成的簡易、透明的燃燒匙，只需消耗0.2g左右的硫粉。用500mL規格的無底礦泉水瓶套在集氣瓶外，且培養皿中的NaOH稀溶液又起到液封作用，使整個反應處在一個密閉的體系中，能有效防止實驗過程中SO2逸散到空氣中，避免了對環境的污染，培養了學生的環保意識。

3銨態氮肥與堿共熱生成氨氣

3.1問題背景

滬教版九年級教材《化學（上冊）》中“銨態氮肥與堿共熱生成氨氣”的實驗是這樣設計的： 用酒精燈加熱（NH4）2SO4固體和NaOH溶液的混合物，用紅色石蕊試紙檢驗氨氣的生成。但因其是敞口設計，導致在實驗過程中生成強刺激性氣味的氨氣逸散到空氣中造成污染，坐在前排的學生感受特別明顯。

3.2設計思路

從減少氨氣生成的量和防止氨氣逸散的角度設計實驗，采用微量化和一體化設計思路，使改進后的實驗裝置符合環保理念，有效防止了氨氣的逸散和污染。改進后的裝置既適合于教師演示實驗，又可滿足學生進行分組實驗的需要，培養學生的環保意識。

實驗儀器與藥品： 鐵架臺、雙聯試管（18mm×160mm）、注射器（1mL）、酒精燈、紅色石蕊試紙、棉花、5%的NaOH溶液、（NH4）2SO4固體（裝置如圖3所示）

3.3實驗操作步驟及關鍵點

（1） 用藥匙小頭的一端取0.2g左右的（NH4）2SO4固體裝入雙聯試管中，將其豎直固定在鐵架臺上。用1mL的注射器吸取0.25mL 5%的NaOH溶液。

（2） 在裝有（NH4）2SO4固體的試管壁的中上部并排粘貼兩張用水潤濕的紅色石蕊試紙（以剛好潤濕為宜，防止水太多造成試紙下滑），將帶注射器的軟膠塞塞緊試管，在另一邊的空試管口放一團用水浸潤過的棉花團。

（3） 輕推注射器，使注射器中的NaOH溶液滴入試管中，點燃酒精燈，先對裝有（NH4）2SO4固體的試管進行預熱，然后再加熱。

（4） 當觀察到試管底部有氣泡產生，試管壁上潤濕的紅色石蕊試紙變藍色后及時移走酒精燈。說明（NH4）2SO4固體與NaOH溶液混合共熱后放出氨氣，從另一端試管中逸出的多余氨氣被試管口濕潤棉花團的水吸收，避免了對環境的污染。

3.4裝置創新點

該裝置采用微量化環保型設計，操作簡便，現象明顯，能有效防止氨氣的逸散，減少空氣污染，實用性強，既適合課堂演示也可以用作學生分組實驗。

綜上所述，以上3個中學化學教材實驗的微量化環保型改進案例，操作簡單、現象明顯，不僅可以節約化學藥品，還能有效減少污染物的產生，可作為常規化學實驗的補充，有利于培養學生的節約意識、環保意識、安全意識和創新意識。

參考文獻：

[1]張鳳瓊. 初中化學微量化實驗的研究[J]. 化學教學2010， （6）： 54～56.

[2]李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進[J]. 化學教學， 2014， （5）： 55～57.

[3]馬東， 張賢金. 硝酸性質實驗的一體化設計[J]. 化學教學， 2017， （7）： 60～63.

[4]姚亮發， 林師龍， 張賢金. 中學化學教材中敞口實驗的一體化設計[J]. 化學教學， 2017， （10）： 52～54.