中學化學微型實驗研究

摘 要：微型化學實驗是體現綠色化學理念，培養創新人才的一種有效方法，也是化學實驗方法的改革。通過常規銅與微型銅分別與濃/稀硝酸反應的比較，可以發現微型化學實驗具有試劑用量少，效果明顯，實驗安全，對學生吸引力強的優點，并可提高教學效果。本文對通過微型化學實驗來鍛煉學生的實驗技能、自主創新、自主探究能力和完善學生的思維品質進行了初步探討。

關鍵詞：中學化學實驗 微型化 實驗改革

微型化學實驗是20世紀80年代崛起，國際上公認的能體現綠色化學理念的一種化學實驗的新技術和新方法［１］。它是指在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，其試劑用量是常規實驗的十分之一至千分之一［２］。縱觀近代化學發展的歷史，化學實驗的試劑和樣品的用量是隨著科學技術的發展，實驗儀器精確程度的提高而逐漸減少的［３］。與此同時，在化學教學實驗中也存在著逐漸減少試劑用量的趨勢。

微型化學實驗以使用盡可能少的試劑為主要特征，而采用微型化的實驗儀器裝置是微型化學實驗的第二特征［４］。基于這兩個基本特征可以看出微型實驗具有節約藥品、節省時間、減少儀器損耗、便于攜帶、提高實驗安全程度等優點。此外，微型化學實驗(M.L.)在中學教學中的推廣，是為了提高學生的實踐能力和創新精神，在教學中打破“照方抓藥”的傳統實驗模式，是對傳統的實驗進行的大幅度調整和充實，將實驗微型化，著力培養學生良好的環保意識、資源意識、安全意識、創新意識，形成以學生自擬實驗方案的啟發性、探索性為主的實驗內容。在化學實驗教學中，不但有較好的教學效果，而且能極大減少實驗三廢，是可持續發展戰略在化學實驗教學中的具體體現［５］。

微型化學實驗有利于培養學生的創新精神和實踐能力。從推進素質教育的角度來說，中學化學實驗的微型化能培養學生對化學實驗的興趣，樂于動腦動手、勤于實踐的意識和習慣，切實提高學生的動手能力、實踐能力［６］。從培養適應21世紀需要的高素質國民的高度來看，認識推廣微型化學實驗的意義更加深遠。

因此，推廣微型化學實驗的研究和開發必將是化學實驗教學發展的一個重要方向［７］。我們應該利用微型化學實驗的特點，充分發揮其在化學實驗教學及化學科學研究領域中的重要功能，積極開展、研究設計微型化學實驗。所以說微型化學實驗已成國際趨勢，應引起化學教師的重視［８］。然而，現階段中學微型化學實驗也存著不足之處。從儀器方面來看，微型化學實驗儀器目前還不能通用，不能實現微型化學實驗連貫教學，因而普及和推廣有一定的困難。常規實驗的原有儀器還不能完好地改進過渡為微型化學實驗儀器，還需要一段時間［９］。同時，因為使用微型實驗儀器而忽視或放棄原有常規實驗的規范操作的問題也有待解決。

微型化學實驗就是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術。但是，我國目前還沒有開發出現成的微型化學實驗儀器，我們可以嘗試利用現有簡單的化學儀器和醫用注射器、輸液管、藥瓶等常見物品組合設計成微型實驗裝置［１０］，同樣可以收到很好的效果。下面結合微型化學實驗的特點和原則介紹幾個微型實驗設計，它們不僅體現了綠色化學理念，而且達到了很好的實驗教學效果。

1 常規化學實驗與微型化學實驗的比較

常規化學實驗課要求規范統一，往往是一堂實驗課，學生用一種方法做同一實驗，這種千篇一律的實驗課抑制了學生的個性化和創造思維的發展。而微型實驗的實驗方法靈活多樣，裝置簡單易操作，且取材方便，學生有較大的自主發揮空間［１１］。同時，微型化學實驗在強化學生實驗技能和提高學生的創新意識上有特殊的功效。

1.1常規銅與稀硝酸的反應

儀器：集氣瓶;玻璃片;止水夾;U型管;鐵架臺;導管

藥品：銅片(北京試劑廠);硝酸(上海試劑廠）

實驗步驟：(見圖1)

(1)在單孔塞上固定一段狹長的銅片，塞緊單孔塞;打開止水夾向U型管中注入稀硝酸;至水平B處，使酸液充滿U型管，不殘留空氣。加熱使反應開始，等有大量氣泡時，撤去酒精燈，產生的一氧化氮將酸液壓入U。

(2)關閉止水夾，在U型管A處用酒精燈加熱，在U型管右側銅片處形成一段無色氣柱(當氣柱不斷加長，酸液脫離銅片時反應自動停止)，溶液變為藍色。

(3)打開止水夾，無色氣體進入集氣瓶內的空氣氧化為紅棕色的二氧化氮，證明原無色氣體為一氧化氮。

1.2微型銅與稀硝酸的反應

實驗步驟：（見圖2）

(1)向錐型瓶內加入10ml20%的氫氧化鈉溶液。

(2)往試管中加入一塊銅片。

(3)用一支滴管取硝酸溶液1ml注入試管中，立即用小橡皮塞塞緊試管口，接著將帶試管的單孔塞塞緊錐型瓶口。

現象及結論:

稀硝酸與銅的反應激烈，銅片斷面上連續產生小氣泡，過一會兒試管中出現很淺的紅棕色(這是反應生成的無色NO被試管中的空氣氧化成NO₂)，從試管小孔逐漸逸向錐型瓶，試管里的溶液變為藍色。反應停止后，輕輕振蕩錐型瓶，紅棕色逐漸變淺，最后消失。這種對比實驗學生印象深刻，且減少了對人體的危害，保護了環境。

1.3常規銅與濃硝酸的反應

儀器:試管;分液漏斗;雙孔膠塞;導氣管;杯

藥品:濃硝酸(上海試劑廠);銅片(北京化工廠);

紫色石蕊試液(江蘇年沙化學廠);氫氧化鈉(北京化工廠)

操作及方法(見圖3)：

(1)先往試管里放入3g銅片，塞緊帶有液漏斗及導氣管的雙孔膠塞，往分液漏斗里加入濃HNO₃，將導氣管出口插入燒杯里的NaOH溶液中。

(2)調節分液漏斗活塞滴入適量的濃HNO₃，劇烈反應，產生紅棕色的氣體充滿試管，并從導氣管口排出而被燒杯中的NaOH溶液吸收反應完畢后，可往分液漏斗中加NaOH溶液，使試管中的NO₂氣體充分被吸收。

1.4微型實驗銅與濃硝酸反應

儀器及藥品:

1. J型滴管(自制);2. Y型試管;a濃硝酸;b一束銅絲;c紫色石蕊溶液(稀)

實驗步驟:

(1)按圖4裝好儀器［１２］。

(2)向Y型試管b端裝入一束約1cm長的銅絲，c端加入2ml石蕊水溶液。

(3)用J型滴管吸取約1ml濃硝酸，將其插入Y型試管中，用裝在J型滴管上的膠塞塞緊管口(如圖4)。

(4)擠壓膠頭向b端逐滴滴加濃硝酸(滴加量視演示效果而定)，將b端反應液倒入c端，停止反應。

實驗現象及結論：

由上述操作后可以看到反應劇烈，反應液漸漸變為藍色，產生的紅棕色氣體充滿Y試管，c端液體逐漸從紫色變為紅色，直至完全變紅。反應停止后，Y型試管中的紅棕色逐漸變淺，不一會兒紅棕色完全消失。

實驗現象明顯，不僅完成了銅與濃硝酸的反應，而且驗證了NO₂與水反應的性質。

上面列舉了關于銅與濃稀硝酸反應的常規實驗和微型實驗，下面用圖表的方式來對比一下。

通過對比我們不難發現，微型化學實驗不是常規實驗的簡單微縮，也不是對常規實驗的補充，更不是對常規實驗的對立，它是在綠色化學思想下用預防化學污染的新實驗思想，新方法和新技術對常規實驗進行改革和發展的必然結果［１３］。

2 微型化學實驗的設計原則

概括起來，微型化學實驗設計應遵循以下基本原則:

2.1科學性原則

科學性原則是微型化學實驗設計的首要原則。所謂科學性，首先是指實驗原理、實驗裝置、實驗操作程序和方法的正確性，即必須與化學理論知識和化學實驗方法相一致。其次，實驗設計要具有科學思想和科學方法的教育因素［１４］。如果在設計中缺乏科學態度和方法，往往稍有疏忽就會出現科學性錯誤。

2.2可行性原則

可行性是指設計微型化學實驗時所運用的實驗原理和方法在實施中切實可行，所選用的實驗藥品、儀器、設備和方法在現有條件下能夠得到滿足。

2.3簡約性原則

所謂簡約性是指要盡可能采用簡單的實驗方案、實驗裝置，用較少的實驗步驟和實驗藥品，在較短的時間內來完成實驗［１５］。更具體地說，就是裝置簡單、操作簡便、現象明顯、節約藥品、節約時間、安全可靠、不產生污染，使整個實驗過程盡可能少受干擾，學生能將精力集中在操作、觀察和探究上。

2.4安全性原則

實驗儀器裝置的取材要盡量簡易安全；藥品的使用盡可能不用危害品或減少用量、循環使用、回收利用、減少三廢、提高實驗的安全程度;實驗設計的內容應包括對有毒物質進行無害處理的設計操作［１６］。

2.5創新性原則

微型化學實驗的設計不是對常規實驗的簡單縮小，而是根據常規實驗的目的、原理和要求進行科學創新［１７］。在實驗設計中盡可能采用一些最新的科學知識和技能，運用科學的方法和手段解決設計過程中出現的問題;實驗設計的內容應顯示出一定的創造智慧和策略，要敢于標新立異，具有新穎性［１８］。

2.6實踐性原則

要善于把微型實驗設計運用于化學實驗教學和解決實際化學問題的研究之中;必須親自動手進行實驗操作，在做中想，在做中學，反復推敲，不斷完善自己的實驗設計;要因地制宜，因時制宜，就地取材，綜合應用［１９］。

3 微型化學實驗設計的內容

一個相對完整的化學實驗設計方案所涉及的方方面面，即為微型化學實驗設計的內容，主要包括實驗題目、實驗目的、實驗原理、實驗用品、實驗裝置圖、實驗內容和實驗步驟，實驗現象記錄及結論。

4 微型化學實驗設計的思維方法

為了使微型化學實驗的目的順利實施，要對該項化學實驗所涉及的一系列具體問題進行認真的分析和周密的思考，其方法如下:

(1) 對化學實驗的化學原理、對參加化學反應的各種物質的性質要有較全面、較深入的了解和認識［２０］。要盡可能估計到在什么樣的實驗條件下，可能有什么樣的化學反應以及產生什么樣的實驗結果，使有關化學反應向著實現化學目的的方向發展。例如，設計一個簡易啟普發生器用來制備氫氣。該實驗設計應該明確3個方面的問題［２１］:①必須是較活潑金屬跟稀硫酸發生置換反應方可制取氫氣，而用活潑的金屬如堿金屬是達不到目的的;②含有雜質的金屬可同時發生原電池反應，能加快氫氣的制取；③啟普發生器的工作原理。在弄清上述三個問題的基礎上，就可以合理地選擇實驗試劑(鋅、稀硫酸、少量硫酸銅)和實驗儀器(如微型漏斗、特制具支試管、止水夾等)。

(2) 按照化學反應原理，根據化學反應物和生成物的性質、實驗條件的控制、發生反應時可能產生的變化，來預選實驗方法和手段。甚至對選用儀器的規格、儀器的聯結安裝方式都要仔細考慮，然后確定實驗操作的程序和步驟［２２］。

(3) 實驗者要對自身的化學知識基礎和理論水平、實驗操作水平、現代化測量手段掌握的情況等做出全面的、切合實際的評價，充分估計自己是否有能力勝任該項實驗設計［２３］。明確自己的不足，找到彌補的辦法，努力予以補救。

(4) 對化學實驗過程中可能遇到的困難和克服的辦法，都要盡量做好思想準備。甚至在一開始就可以設計出兩套或多套不同的實驗方案，設計幾種不同的實驗方法去完成同一個實驗目的的實驗方案，對它們各方面的情況做出周密分析，并加以比較，從中確定一個較理想的實驗方案，然后著手完成化學實驗設計的書面材料［２４］。

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