選修課中微型綠色化學實驗的探索和實踐

藍永紅

選修課中微型綠色化學實驗具有儀器容量小、藥品用量少、操作簡單、實驗過程快、現象明顯、實驗成功率高、節省實驗時間、安全性高、操作性強、污染低或無污染、趣味性高等優點。有利于實驗課的開設，提高學生動手操作的機會。采用微型實驗改進化學實驗教學，將實驗微型化、趣味性、節能化、環保化和創造性融為一體，有利于培養學生良好的環保意識、資源意識、安全意識、創新意識。注射器是一種普通的醫療器械，但它在化學實驗裝置和習題中出現得越來越多，如2008年上海高考化學試題的26題就是利用注射器來考查實驗的創新能力。我在平時化學實驗中，巧用注射器改進實驗方法進行微型綠色化學實驗方面做了一些嘗試和整理，和各位同仁一起探討和研究。

一、實驗改進

1.氨氣噴泉的微型實驗

（1）設計意圖

氨氣的噴泉實驗是高中化學的重要演示實驗，教材中實驗裝置如圖所示。該實驗操作要求老師課前預先收集好氨氣，到時課堂再做演示，由于氨氣易擴散，如果當時制取氨氣教室通風不好，容易泄露氨氣，造成污染，如果將實驗改進成將氨氣的制備和氨氣的噴泉實驗結合在一起的二合一微型實驗裝置，操作簡單，成功率100%，也非常適合于學生分組實驗。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①裝置中所用的儀器是醫用一次性注射器，在去掉活塞的注射器針筒中注入生石灰，用另一注射器吸入濃氨水，將注射器內的濃氨水注入針筒內，濃氨水遇生石灰迅速產生氨氣，將上部注射器活塞上推。

②用注射器吸入一定量酚酞試液，將注射器針頭刺入含有大量氨氣的針筒內，盡可能將針頭全部插入注射器，再輕推注射器活塞，將少量酚酞試液注入注射器針筒內，針筒內很快就形成紅色噴泉。

③該實驗操作簡單，現象明顯，針筒不需干燥，適合學生的分組實驗使用。

2.空氣中氧氣含量的測定

（1）設計意圖

空氣是學生從化學角度認識的第一種物質，了解空氣的成分并通過實驗探究空氣中氧氣的體積分數是《化學課程標準》的重要內容之一，引導學生認識和探究身邊的化學物質，了解化學變化的奧秘，激發化學學習的興趣，是初中化學教學的重要內容。按照人教社初中化學課本上的實驗裝置測定空氣中O2含量時，如圖，存在以下問題：容器較大，容積5等分存在一定誤差；所需紅磷較多；水位上升位置誤差較大。為了簡化實驗操作，減小誤差，可對該實驗作如下改進。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①用試管作反應容器，磷的燃燒均在密閉容器里進行，可防止白煙污染空氣。用20mL注射器（活塞事先處在10mL刻度處）測量磷燃燒消耗的氧氣體積。

②操作：A.檢查裝置的氣密性。B.裝藥品，連好儀器。C.夾緊彈簧夾，加熱白磷，觀察現象。D.燃燒結束，試管冷卻后松開彈簧夾，可以看到活塞慢慢左移到2mL刻度處，說明空氣中氧氣的體積分數為1/5。

3.銅與稀硝酸反應的實驗

（1）設計意圖

課本中的銅與稀硝酸反應的實驗是在試管中進行的，其缺陷有：生成的一氧化氮氣體的無色不易觀察；無色氣體變為棕色的界限不清。如果將注射器引入實驗中，可以讓裝置密封，氣體不能外逸，便于學生觀察NO為無色氣體，一氧化氮的生成與一氧化氮的轉化可以（即生成二氧化氮）分階段進行。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①拔下注射器內的活塞，向注射器的玻璃筒內放入少量已繞成螺旋狀的細銅絲。

②裝上注射器的玻璃活塞，推動活塞排盡玻璃筒內的空氣，吸入少量的稀硝酸。并讓學生觀察實驗現象。

③待注射器玻璃筒內的無色氣體的體積約為2ml時，取下橡皮塞，拉動活塞吸入少量的空氣后再迅速在注射器的針頭部位塞上事先配好的橡皮塞。并讓學生觀察實驗現象，會看到有紅棕色氣體產生，現象明顯。

④將氫氧化鈉吸入注射器內，將剩余溶液和有毒氣體除掉。

4.Fe（OH）2的制備

（1）設計意圖

氫氧化亞鐵的制備原本是教師演示實驗，教材演示實驗中出現的違反常規的操作（即滴管插入液面下）肯定會引起學生的疑惑，這恰恰正是探究的絕佳素材；而且按照教材中的要求制備氫氧化亞鐵，很難觀察到理想的實驗現象，白色沉淀中往往夾雜著灰綠色，幾乎分辨不出。教材由此要求學生推理出氫氧化亞鐵很不穩定，很快被空氣中的氧氣所氧化，這難以使學生信服，影響了學習效果。此實驗若采用注射器來完成，則效果明顯。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①用甲注射器吸入約10mlFeSO4溶液，并將針頭插入膠塞封閉。

②用乙注射器吸入約10ml氫氧化鈉溶液。

③將乙注射器中的氫氧化鈉溶液慢慢推入甲注射器中，可看到甲注射器內生成白色沉淀。

④拿掉乙注射器，將甲注射器活塞左移，吸入一定量空氣，可觀察到白色沉淀變為灰綠色又變為紅褐色的現象。

5.氯氣噴泉的微型實驗

（1）設計意圖

在教學中對于Cl2在有機溶劑中的溶解性教材中沒有說明，通過Cl2能與無水乙醇和NaOH溶液形成噴泉微型實驗，使學生親身體驗并認識到Cl2易溶于有機溶劑，同時加深對Cl2與堿溶液反應的化學性質的理解。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①裝置中所用的儀器是醫用一次性注射器，在去掉活塞的注射器針筒中加入約0.1gKClO3粉末塞上橡膠塞，在另一注射器中吸入少量（約0.5mL）的濃鹽酸，將注射器內的濃鹽酸注入加入KClO3粉末的針筒內，KClO3遇濃鹽酸迅速產生Cl2氣體，將上部注射器活塞上推，片刻后拔出針頭和注射器。

②用注射器吸入一定量無水乙醇，將注射器針頭刺入含有大量Cl2的針筒內，盡可能將針頭全部插入注射器，再輕推注射器活塞，將少量無水乙醇注入針筒內，針筒內很快就形成噴泉。

③該實驗操作簡單，現象明顯，適合學生的分組實驗使用。

④NaOH與Cl2的噴泉實驗步驟同上。

6.影響化學平衡的條件

（1）設計意圖

教材中對于壓強對化學平衡的影響，沒有實驗，不利于學生形成直觀的思維。此處如有實驗，則便于學生理解。同時教材中濃度對化學平衡的影響的演示實驗又要用到NO2和N2O4，所以此處可將兩個實驗放在一起完成，增加課堂教學效果。

（2）改進的實驗裝置

（3）實驗說明

①用一支注射器（50ml或更大些的）吸入約30ml二氧化氮和四氧化氮的混合氣體，并將針頭插入膠塞封閉。

②將注射器活塞反復往里推和往外拉，可以觀察到隨壓強變化對化學平衡的影響。當活塞往外拉時，混合氣體的顏色先變淺又逐漸變深。應怎樣理解呢？這必然是由于針筒內體積增大，使氣體的壓強減小，濃度也減小，顏色變淺。后來顏色逐漸變深，這必然是由于化學平衡向著生成NO2反應的方向即氣體體積增大的方向（每1體積N2O4分解生成2體積NO2）移動了。當活塞往里推時，混合氣體的顏色先變深又逐漸變淺。這必然是由于針筒內體積減小，氣體的壓強增大，濃度也增大，顏色變深。由于化學平衡向著生成N2O4的方向即氣體體積縮小的方向移動，因此混合氣體的顏色又逐漸變淺了。

③將注射器分別浸入熱水和冰水中，請學生仔細觀察兩次實驗中的注射內氣體顏色的變化，并通過與原注射器內顏色相比，說明二氧化氮雙聚成四氧化氮是放熱反應還是吸熱反應。

二、開展微型綠色化學實驗的意義

1.傳播綠色化學理念

微型綠色化學實驗具有重大的現實意義。用盡量少的試劑做實驗，既可節約開支，又能避免污染環境，同時又保證了實驗的安全。微型化學實驗使用試劑為常規量的（十分之一——百分之一），體現了綠色化學預防化學污染的原則，也體現了化學實驗由“粗放型”到“集約型”的發展趨勢。

2.轉變化學學習方式

開展微型綠色化學實驗設計可以給學生提供更多的動手機會，有效增強學生實驗的參與度，促進學生學習化學方式的改變，借助微型化學實驗這個平臺使學生親身體驗、在實驗中提高、在交流中升華、在解決問題中提高能力、在設計中體驗創新。

3.落實新課改精神

微型實驗既有助于解決實驗儀器、藥品的短缺問題，又可以培養學生的創新精神和實踐能力，使學生自覺養成節約意識和環保意識，從而更好地落實新課標精神。

4.開展微型綠色化學實驗要探究的問題

（1）由于微型化學設備的微型化，所用藥品的微量化，導致了與常規實驗在規范化操作上存在一定的差異。從培養學生基本操作技能的角度講，微型化學實驗存在一定的局限性。

（2）由于微型化學實驗與一般實驗儀器差別很大，教師在指導微型化學實驗時一定要注意實驗條件的探索。如微型塑料型儀器不能加熱，塑料本身能與一些化學試劑起反應而使其應用受到影響。

三、問題與討論

1.存在的問題

（1）微型實驗不適合作為演示實驗

由于儀器、裝置及實驗規模都小，實驗的可見度低，如果不采用投影儀等放大實驗現象的補救手段，其不適于用做演示實驗。

（2）微型實驗不適用于定量實驗和對反應條件有一定要求的實驗

微型化學實驗的反應物及產物的量都小，沾附在容器壁上的藥物占整個反應物或生成物的比偏大，在制備實驗、定量實驗中因產率過低而使實驗無法得到準確的結果。另外，微型化學實驗在攪拌、抽濾、分液、萃取、控溫等實驗操作上難度較高，學生難以操作。

2.幾點建議

（1）一定要注意實驗的安全性

化學實驗具有一定危險性，任何不當都可能造成不可挽回的損失，因此，微型化學實驗必須在有安全保障和教師的指導下進行。在實驗的準備階段：問題的提出、實驗課題設立，實驗物質分析，都要進行必要的安全評估。以避免學生利用微型化學實驗手段進行探究時發生妨礙社會家庭生活的情況，如中毒、放射性危險、儀器爆炸等不良后果。

（2）強化使用微型化學實驗進行研究的目的性

沒有目的的實驗只是玩。教師不但要讓學生學會利用實驗進行研究，還要教會學生查閱科學文獻確定實驗目的的方法，以及養成真實記錄實驗現象和數據的科學習慣。這也是教師在微型化學實驗教學中必須發揮的關鍵的作用。

此外，還應重視對實驗中得不到正確現象的失敗原因的分析。化學實驗是失敗的藝術，微型化學實驗也是培養學生善于找到失敗的原因，改進實驗器材和方案，這才是最大限度地發揮微型化學實驗的作用的根本。

（3）教師應加強對中學微型化學實驗的設計、方案的研究

微型化學實驗替代常規實驗，藥品的用量、儀器設備的變化會引起試劑濃度、儀器規格、實驗條件的改變，因而不能完全照搬常規實驗的條件和方法。這就需要老師不僅在平時教學中作個有心人，還應多瀏覽學習《化學教學》《化學教育》《中學化學教學參考》和《化學通報》等刊物上發表的有關中學微型化學實驗方面的設計、改進的方案。對素材逐一進行研究，不斷優化，提出自己切實可行的、科學的新思路、新方法、新方案。“他山之石，可以攻玉。”在可能的條件下，也要研究國外的中學微型化學實驗的設計、方案，探求人家的設計思路，找出值得借鑒之處，豐富經驗，開闊視野。

（作者單位：江西省南康中學）