組合式氣體實驗裝置的特點及設計策略

文章編號：1005－6629(2007)03－0008－04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

隨著化學實驗技術的發展，越來越多的教師認識到，某些傳統實驗中存在的明顯弊端有：一是實驗進程和實驗現象對問題講授會有制約。二是氣體性質實驗中的“預先制備氣體”的“不可預測”因素較多。三是有毒、有害氣體在課堂教學中的處理不力等。要解決這些問題，必須進行實驗創新。在課程改革的背景下，化學教師應為創造綠色、和諧、高效的實驗課堂大膽實踐。筆者結合自己的教學實踐，吸收積件思想(CAI)的某些“養份”，收集、設計采用組合式氣體實驗裝置(以下簡稱組合式裝置)的實驗案例，探究其設計策略，以便對廣大中學化學教育工作者更好地開展實驗技術的實踐探索與理論研究，提供一些幫助。

1組合式裝置的設計

組合式裝置是對普通裝置進行“積件式”設計創新，通過將常規儀器簡(集)約、組合、變式，設計成具有兼容、多用、整合等特點的實驗裝置，來達到某項實驗目標，在課堂教學中呈現出易用、好用、活用的特征。根據組合式裝置所需要的儀器，一般以一件實驗儀器為“主體”，進行以下幾種類型的設計：

1.1較大容積儀器的組合設計

集氣瓶(廣口瓶)、燒杯、錐形瓶等儀器有較大的容積，尤其適合進行氣體性質實驗，實驗中利用這些儀器的特性進行組合式氣體系列實驗。

案例1：氧氣與金屬、非金屬單質反應

在集氣瓶中加入過氧化氫與二氧化錳，不需要加熱就會迅速產生氧氣，然后插入燃燒著的硫、鐵、鋁等物質。

案例2：二氧化碳與金屬鎂反應

在集氣瓶中放入大理石，加入稀鹽酸，蓋上玻璃片。一會兒，用燃燒的木條來驗證瓶中產生的氣體是二氧化碳，再插放燃燒著的金屬鎂。

案例3：二氧化碳的滅火性實驗[1](如圖1所示)

案例4：氯氣、二氧化硫性質實驗(如圖2所示)

由濃鹽酸與高錳酸鉀反應制取氯氣、濃硫酸與亞硫酸鈉溶液反應制取二氧化硫，預先放置好研究物質性質所需要的藥品(如果是溶液，可借助于濾紙片或棉花等固體為載體)，以漏斗、干燥管或導管輔以吸收液吸收反應的尾氣，這部分裝置還起著自動調節系統內外壓強差的作用，產生氣體的同時，觀察到該氣體性質實驗的現象。

1.2較小容積儀器的整合設計

試管、導管、干燥管、普通漏斗等儀器，雖然容積小，但具有藥品用量少、現象明顯快捷、綠色環保等特點。

案例5：鐵與水蒸氣反應[2](如圖3所示)

案例6：一氧化碳與氧化鐵反應[3](如圖4所示)

1.3特殊儀器的創新設計

U型管、叉型管以及一些自制、小巧儀器在實驗中有較特殊的作用，使用這些儀器，對常規儀器的性能是一個有效的補充。

案例7：二氧化碳與過氧化鈉反應[4] (如圖5所示)

案例8：一氧化氮與氧氣反應[5] (如圖6所示)

案例9：氫氣、氯氣爆炸實驗[6] (如圖7所示)

在叉形玻璃管中，滴入濃鹽酸與高錳酸鉀、鋅粒同時反應，塞上棉花，在管外用鎂條燃燒產生的白光引爆。

案例10：硫化氫與二氧化硫反應(裝置同上)

另外，注射器、具支試管、燒瓶等也常用于設計組合式裝置。

2組合式裝置的特點

組合式裝置有如下一些特點：一是制取氣體與性質實驗所發生的兩個或兩個以上化學反應在同一個容器中進行，簡化了實驗裝置，減少了實驗步驟。二是所選用的藥品、儀器等在一般的中學化學實驗室都能得到滿足。三是反應時間短，時效性強，實驗現象明顯。四是藥品用量少，減少了化學有害物質對環境的污染，具有微型化和綠色環保的特點。

3 組合式裝置的設計策略

實驗裝置是實驗的平臺，是影響實驗現象的重要因素，因此，對實驗進行改進，往往從設計實驗裝置入手。

3.1 簡(集)約化策略

長期以來，實驗教學的學術化傾向導致實驗裝置功能分類細化，按照用途的不同分為氣體發生裝置、收集裝置、吸收裝置、干燥裝置等，不同儀器裝置有著明確的分工，沒能充分發揮儀器裝置應有的性能。

簡(集)約化策略就是簡化某些常規實驗裝置，在保證實驗教學效果的前提下，盡量少取用藥品，少選用儀器設備。采用“一物多用”，打破原實驗裝置的功能界限，把有關聯的若干個儀器通過某種形式聯系、集合在一起。避免過多的儀器裝置分散學生的注意力，突顯實驗的主要現象。如圖4所示一氧化碳與氧化鐵反應組合式裝置。

3.2 變換位置策略

組合式裝置與普通裝置最明顯的區別在于，取消了專門的氣體收集裝置，這給進行氣體性質實驗放置物質，帶來了新的問題。如果能有效地解決這個問題，實現不同物質在同一儀器內的分隔放置，就能夠設計出組合式裝置，這是創新設計的關鍵。

常用的策略有：預置法——就是在氣體產生之前，把進行性質實驗的物質預先放置好，如圖1所示的蠟燭，圖4所示的氧化鐵；懸置法——通過人為控制，把物質放在儀器的中部，如圖5-(1)中的過氧化鈉、圖6中的銅；改變狀態法——把試液滴放到濾紙上，制成相應的試紙，實現從“液”到“固”的轉變，如圖2中所示的溴水、氫硫酸等。

3.3 非常規儀器使用策略

非常規儀器指非常規通用儀器(如改形大試管、叉形管等)和非化學儀器(如醫用小藥瓶、塑料瓶等)。研制和使用非常規儀器于組合式裝置，通常可以使裝置簡約化與微型化，彌補常規儀器裝置某些功能的不足，優化實驗裝置性能，提高實驗效果。如圖6所示一氧化氮與氧氣反應組合式裝置；如圖7所示氫氣、氯氣爆炸組合式裝置。

一味追求非常規儀器或認為非常規儀器可全部代替常規儀器的看法固然偏頗，期刊上刊登這方面的改進文章時，也應考慮到讀者是否能找到這些替代品；其次，用常規儀器能達到正常實驗效果，還是用常規儀器好。

說到這里，筆者對圖6組合式裝置發表一些個人看法。設計封閉法制一氧化氮與一氧化氮被氧化組合式裝置時，大多數老師選用兩邊高度不一的U型管(變形U型管)。是不是常規U型管不能滿足實驗要求？其實不然，筆者使用常規U型管進行實驗，操作簡單，實驗現象也很明顯[7]。

3.4 環保策略

這種策略是從保護環境的角度出發，對一些實驗過程中產生有害氣體的實驗裝置進行改進，通常把它設計成封閉的實驗裝置。封閉組合式裝置應包含下列要素：氣體發生、氣體聚集、氣體性質、尾氣的收集和處理、導氣等。如圖2所示的氯氣制取與性質組合式裝置。

對氣體發生要素可從封閉和控制反應發生兩方面入手，如圖2中，通過滴管滴加液體來控制氣體產生的量與速率；對于尾氣的處理，應考慮有效的化學吸收(如用堿液吸收剩余氯氣)或有效的回收貯存(如圖6在漏斗中進行一氧化氮的氧化)；組合式裝置中導氣要素的設計尤為重要，因為產生氣體時，容器內壓強會增大，存在安全隱患。通常采用如圖2所示借用尾氣吸收裝置的合并法，如圖6所示的液封法，如圖3所示的導管法等，做到封閉而不密封。

3.5 交流合作與反思策略

由于每位設計者的知識背景不同，思考問題的方式也可能不同，他們對同一個問題的認識角度和認識水平就存在著差異。通過探究者群體的交流合作可以擴展大家的視野，使個體的理解和認識更加豐富和全面，通過集體討論，完成實驗設計。

交流合作的形式有：交談、建議、咨詢、討論、多人共同完成對某個問題的研究。

在交流的過程中，每位探究者應該對自己和別人的觀點進行反思，提出解決問題的假設，并在實驗中檢驗假設。在檢驗假設的過程中，如果發現新的問題，謹慎地追尋新問題的實質，反復實驗，設計出既能達到實驗目的又富有個性的組合裝置。

反思策略通常有以下幾種方法：(1)多向法——如能否進一步優化條件、減少干擾，使其效果最好？(2)逆向法——如能否在現有方案的基礎上變動儀器連接順序？(3)類推法——如現有裝置是否可以用于類似的實驗，可以一裝(置)多用或一用(途)多裝？(4)聯想法——如現有組合式裝置還能做哪些類似的實驗等？

上述5種設計策略，只是為了敘述方便而加以區分，實際運用時必須綜合考慮。

4 組合式裝置的教學意義

設計組合式裝置，不僅降低了實驗難度，增加了實驗的時效性，而且能使學生學會控制實驗的技巧，體驗科學探究的快樂，更好地理解化學知識與技術之間的關系，是培養學生技術素養的重要載體。教學實踐已表明，精妙的組合式裝置是探究者控制化學反應現象的“遙控器”，是反映科學探究過程的“顯示器”。在提倡探究學習的今天，組合式裝置，符合微型實驗的要求，遵循綠色環保理念，努力提高學生解決問題的能力和技巧，注重培養師生的技術素養，可以說這是今后實驗教學改革的基礎，也必將引起大家足夠的重視。

參考文獻：

[1]上海教育出版社.化學·九年級·上冊(2)[M].上海：上海教育出版社.2005：46.

[2]徐小健.鐵與水蒸氣反應實驗的改進.化學教學[J].2005，(4):9.

[3]張正紅.“一氧化碳與氧化鐵反應”的實驗改進.化學教學[J].2005，(7)，8:9.

[4]閻娜花.過氧化鈉與二氧化碳反應的演示實驗設計.化學教育[J].2003，(4):44.

[5]段春玲等.銅與稀硝酸反應實驗再探究.化學教學[J].2004，(10)：9.

[6]鐘衛國.Y型試管的巧用.實驗教學與儀器[J].2004，(6)：23.

[7]王金龍.創新實驗五則.中學化學教學參考[J].2006，(10):45.