微型化學(xué)實驗及其在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

徐敏，柳傲雪，曾永明

（昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，新疆昌吉831100）

在微型化學(xué)教學(xué)改革的大潮中，微型化學(xué)實驗的改革和發(fā)展已經(jīng)成為人們十分重視的熱門話題。二十世紀(jì)80年代美國化學(xué)家Mayo對微型化學(xué)實驗的概念進行了界定，即用盡可能少的化學(xué)藥品與試劑獲取所需要的化學(xué)信息與原理的實驗技術(shù)。在我國，關(guān)于微型化學(xué)實驗的定義有以下幾種：第一種認(rèn)為微型化學(xué)實驗是為了減少消耗和化學(xué)污染而發(fā)展起來的一種化學(xué)實驗的新方法；第二種定義是在微型化的儀器裝置中進行的化學(xué)實驗，其試劑用量比對應(yīng)的常規(guī)實驗節(jié)省90%以上，該概念是由我國周寧懷教授提出來的；第三種認(rèn)為微型化學(xué)實驗是在專門設(shè)計的微型儀器中進行的化學(xué)實驗，在不影響化學(xué)實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，用盡可能少的試劑來獲取化學(xué)信息的實驗方法與技術(shù)。根據(jù)概念一般從其本質(zhì)屬性和種類進行界定的原則，我們認(rèn)為第三種概念相對來說比較準(zhǔn)確。

微型化學(xué)實驗遵循現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理念，在實驗過程中不僅試劑用量少，安全環(huán)保，而且可以使實驗在較短時間內(nèi)完成，保證了化學(xué)實驗的次數(shù)，對于培養(yǎng)學(xué)生的實驗素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)有著重要的作用。當(dāng)前，微型化學(xué)實驗還處在不斷嘗試和探索中，在日常教學(xué)中的應(yīng)用還比較少，且中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)被忽視的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，尤其是重化學(xué)理論而輕化學(xué)實驗，重化學(xué)實驗結(jié)果而輕化學(xué)實驗過程的現(xiàn)象普遍存在。另外，微型化學(xué)實驗不僅能提高學(xué)生實驗技能，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地幫助學(xué)生理解和掌握有關(guān)的化學(xué)知識，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。因此微型化學(xué)實驗的推廣迫在眉睫。

高中微型化學(xué)實驗就是把微型化學(xué)實驗的理念應(yīng)用于高中化學(xué)實驗中，其優(yōu)點是儀器微型化，藥品用量少；學(xué)生有較大的自主發(fā)揮空間，能促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)，主動地發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實驗、觀察實驗。概括起來，微型化學(xué)實驗設(shè)計應(yīng)遵循科學(xué)性、安全性、可視化、簡便化、可操作化、趣味性、探究性實驗原則。

1 微型化學(xué)實驗設(shè)計案例——銅與硝酸反應(yīng)的微型化實驗

在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中銅分別與濃硝酸和稀硝酸反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)經(jīng)常使用的演示實驗，其能讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象分析和得出實驗結(jié)果認(rèn)識化學(xué)物質(zhì)的本質(zhì)，理解不同濃度硝酸的氧化性，但是該反應(yīng)會分別產(chǎn)生有害氣體NO和NO，進而污染空氣。目前，對該演示試驗的微型化設(shè)計已經(jīng)有大量的報道，但是均存在著一些不足，比如①實驗裝置的安全性差；②實驗反應(yīng)速率難以控制；③實驗尾氣隨意排放，污染環(huán)境。

針對以上缺點，我們對銅分別與濃硝酸和稀硝酸反應(yīng)的微型實驗裝置進行改進，有效地提高了學(xué)生的環(huán)境保護意識和動手能力，進一步加強了學(xué)生科學(xué)素質(zhì)教育。

1.1 實驗原理

1.2 微型實驗設(shè)計思路

在經(jīng)典的銅與硝酸反應(yīng)中，會產(chǎn)生大量的有毒氣體NO和NO，但是無色的NO氣體不易觀察，且它們均嚴(yán)重污染環(huán)境。我們設(shè)計串聯(lián)反應(yīng)裝置，通過一次實驗，就能夠了解不同濃度硝酸的氧化性大小，且通過中和反應(yīng)有效除去反應(yīng)中產(chǎn)生的有毒氣體。基于此，我們采用特制U型管作為反應(yīng)裝置，嘗試使用醫(yī)用注射器在反應(yīng)中加入硝酸和氧氣，簡化實驗裝置，反應(yīng)結(jié)束后，使用醫(yī)用注射器向反應(yīng)體系中注入氫氧化鈉溶液，除去有毒尾氣，且中和了反應(yīng)廢液稀硝酸，防止環(huán)境污染。上述U型管內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：

1.3 微型實驗裝置設(shè)計（圖1）

圖1 微型實驗裝置設(shè)計

1.4 實驗儀器和藥品

實驗儀器：特制U型管1支，注射器（帶針頭）2支，橡膠塞2個，燒杯。實驗藥品：等量的銅片2塊，濃硝酸，稀硝酸，NaOH溶液。

1.5 實驗步驟及現(xiàn)象

（1）首先檢查裝置氣密性。

（2）將等量的銅片分別置于U型管底部和醫(yī)用注射器中。

（3）排干凈醫(yī)用注射器內(nèi)的空氣，再吸取濃硝酸，快速將醫(yī)用注射器針頭插在輸液管上，仔細觀察銅片表面，會產(chǎn)生大量氣泡，并且隨著反應(yīng)進行氣泡會逐漸加快，紅棕色NO氣體很快充滿U型管大端部分，同時醫(yī)用注射器內(nèi)溶液由無色變?yōu)樗{綠色硝酸銅溶液。這個反應(yīng)現(xiàn)象是由于銅片與濃硝酸發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生了大量的NO紅棕色氣體和藍綠色硝酸銅溶液。小心用手摸醫(yī)用注射器管壁，會發(fā)現(xiàn)燙手，說明該反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

（4）隨著紅棕色NO氣體不斷向U型管內(nèi)水中溶解，觀察到U型管大端液面向上緩慢升起，U型管大端紅棕色NO氣體變淺，這表明3當(dāng)量的紅棕色NO氣體與水發(fā)生反應(yīng)，生成了稀硝酸和1當(dāng)量的無色NO氣體，這不但使得U型管大端的壓強變小，而且生成的無色NO氣體稀釋了U型管大端的紅棕色NO氣體。另外，U型管底部的銅片表面不斷出現(xiàn)小氣泡，無色液體逐漸變成藍綠色溶液，且U型管小端液面緩慢下降，但U型管小端液面上部仍然保持無色，這表明紅棕色NO氣體與水反應(yīng)生成的稀硝酸與銅反應(yīng)，生成了無色的NO氣體和藍綠色硝酸銅溶液。相關(guān)反應(yīng)式為：

（5）5 min后，U型管小端的無色NO氣體濃度增大；將另一支充滿大部分空氣的醫(yī)用注射器插在橡皮塞上，拉動活塞吸氣，仔細觀察醫(yī)用注射器內(nèi)氣體的顏色，發(fā)現(xiàn)其逐漸變?yōu)榧t棕色，這說明U形管小端的無色NO氣體與空氣中氧氣反應(yīng)生成了紅棕色NO氣體。

（6）第一支醫(yī)用注射器內(nèi)再吸入氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)注射器內(nèi)有藍色的沉淀物生成，這表明藍綠色硝酸銅溶液與無色氫氧化鈉溶液反應(yīng)，生成了藍色的氫氧化銅沉淀，反應(yīng)式如下：

（7）實驗完畢后，用注射器向上述U型管內(nèi)注入無色氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)U型管內(nèi)有藍色沉淀物生成，表明稀硝酸首先和銅反應(yīng)生成的藍綠色硝酸銅溶液繼續(xù)與無色氫氧化鈉溶液反應(yīng)，生成了藍色的氫氧化銅沉淀。

1.6 微型實驗設(shè)計反思與評價

上述微型化學(xué)實驗比常規(guī)化學(xué)實驗操作更加簡單方便，反應(yīng)時間縮短，反應(yīng)過程中有害氣體易控制，杜絕環(huán)境污染，趣味性強，實驗現(xiàn)象明顯，具有如下優(yōu)點：

（1）該實驗裝置整體密封，將這一反應(yīng)體系的有毒氣體限制在實驗裝置內(nèi)，處理有毒尾氣方便、簡單、安全，從而提高學(xué)生的環(huán)保意識。

（2）化學(xué)實驗儀器操作簡便、微型化，大大減少了化學(xué)實驗試劑的量，從而節(jié)約化學(xué)實驗藥品。

（3）該實驗裝置使學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象簡潔而方便，學(xué)生更加容易理解實驗原理，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的主動思考意識。

（4）實驗結(jié)束后，廢棄液的處理方便，能夠使用氫氧化鈉充分吸收，防止環(huán)境污染。

（5）實驗過程可靠性強，安全性高。

2 結(jié)論

微型化學(xué)實驗過程中始終貫穿綠色化學(xué)思想，有效實現(xiàn)“小劑量實驗、節(jié)約資源、減少環(huán)境污染、降低實驗成本”，是對中學(xué)化學(xué)中定量實驗的改革與發(fā)展，在化學(xué)教學(xué)與應(yīng)用中具有不可忽視的作用。積極倡導(dǎo)教師開展和推廣微型化學(xué)實驗，可以有效增強師生對環(huán)境的保護意識，不斷提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。微型化學(xué)實驗簡單易行、安全可靠、趣味性高、實驗現(xiàn)象明顯，極大地提高了學(xué)生參與實驗的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和實驗技能；實驗快捷，驗證簡單，學(xué)生可以人人動手做實驗，改變“一人做，多人看”的局面，便于學(xué)生的自主探究；學(xué)生親手體驗科學(xué)研究，激發(fā)其學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強化其科學(xué)探究的意識，促進其學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實驗?zāi)芰Α?/p>