綠色化學理念下一體式實驗裝置的創新設計

何大明　龐春輝

【摘 要】本文基于綠色化學理念，以“濃硫酸與蔗糖反應與性質檢驗”和“氯氣的制備與性質實驗”為例，探討一體式實驗改進的策略，以更好地培養和發展學生思維能力和創新能力，提高教學效果。

【關鍵詞】綠色化學 一體式實驗 創新設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07B-0043-02

化學是一門以實驗為基礎的自然科學?；瘜W實驗以其直觀性、趣味性很好地激發學生的學習興趣，培養學生觀察能力和動手能力，有助于學生養成嚴謹認真的科學態度和加強對知識的理解和鞏固，是培養和發展學生思維能力和創新能力的重要方法和手段。在高中化學教學中，有些物質的制備與性質實驗是分開進行的，存在浪費藥品、耗時長、危險性高的情況，這較大地影響課堂教學效果和教學進度，不利于學生開展探究性學習。因此，筆者基于綠色化學理念和優化實驗教學的目的，以“濃硫酸與蔗糖反應與性質檢驗”和“氯氣的制備與性質實驗”為例，探討一體式實驗改進的策略，以提高教學效果。

一、濃硫酸與蔗糖反應實驗

濃硫酸的脫水性是濃硫酸的三大特性之一，濃硫酸與蔗糖反應的實驗是檢驗這一性質的經典實驗。教材中實驗（如圖1所示）設計為：在 200 mL 的燒杯中放入 20 g 蔗糖，加入幾滴水，攪拌均勻，然后再加入 15 mL 溶質的質量分數為 98% 的濃硫酸，迅速攪拌，觀察實驗現象。這是一個非常有趣的實驗，課本上對現象的描述是這樣：可以看到蔗糖逐漸變黑，體積膨脹，形成一種海綿狀的炭。

該實驗雖然方法簡單，現象明顯，能很好地激發學生的學習興趣，但存在以下問題：

1.反應在燒杯中進行，藥品用量大；

2.裝置是敞開式的，反應過程中生成大量有毒氣體直接排放到空氣中，污染教室環境，影響師生健康，不利于培養學生的環保意識，也不符合“綠色化學”的理念；

3.實驗目的單一，只局限在濃硫酸脫水性的演示，而對于反應中生成氣體不能進一步檢驗，缺乏拓展與探究。

出于這些原因，筆者采用密封裝置，對該實驗做了以下改進。形成一體式實驗裝置，如圖 2 所示。

（一）實驗儀器及藥品

具支試管、導管、橡皮塞、試管、鐵架臺、單孔橡皮塞、玻璃棒、蔗糖、濃硫酸、品紅溶液、高錳酸鉀溶液、澄清石灰水、NaOH 溶液。

（二）實驗操作及現象

1.連接好實驗裝置并檢查裝置的氣密性，具支試管②③④⑤中分別加入品紅溶液、酸性高錳酸鉀、品紅溶液、澄清石灰水；

2.稱取 5.0 g 蔗糖，放入具支試管①中；

3.向蔗糖加入幾滴蒸餾水，然后量取 4 mL 的濃硫酸緩慢加入裝有蔗糖的具支試管中，并用玻璃棒攪拌，使混合均勻，然后迅速用橡膠塞塞好；

4.觀察現象：具支試管①內的蔗糖先從白色變為褐色，再變為黑色。產生了“黑面包”，“黑面包”會膨脹很大，最后形成疏松多孔海綿狀碳上升至具支試管口；具支試管②中品紅溶液很快褪色說明生成的 SO2 具有漂白性；具支試管③酸性高錳酸鉀溶液顏色變淺，說明 SO2 具有還原性，同時除去 SO2；具支試管④中的品紅溶液不褪色，澄清石灰水變渾濁說明還有 CO2 生成。

（三）實驗原理

由于蒸餾水與濃硫酸發生了強烈的水合作用，放出了大量的熱量，使反應溫度迅速上升，促使蔗糖脫水碳化游離出來的部分碳在高溫下與濃硫酸發生氧化還原反應，釋放出來的二氧化碳和二氧化硫氣體使試管內黑色物質的體積迅速膨脹，產生了“黑面包”?；瘜W方程式分別為：

C+2H2SO4CO2↑+2SO2↑+2H2O

2KMnO4+5SO2+2H2O=K2S04+2MnSO4+2H2SO4

CO2+Ca（OH）2=CaC03↓+H2O

（四）實驗優點

1.將傳統實驗使用的大燒杯改為具支試管，減少了實驗藥品的用量，大幅減少有害氣體的生成量；

2.實驗中使用了具支試管，解決了雙孔橡膠塞安裝導管麻煩這一問題；

3.打破了傳統實驗的單一性，對反應產生的氣體進行檢驗，從而讓學生從一個實驗中完全體驗到了濃硫酸的三大特性，充分理解反應原理，印象深刻；

4.整個實驗在封閉的體系中進行，并對尾氣進行處理，避免污染環境，充分體現了綠色化學的新理念，強化了學生環境保護意識，在實際教學中具有推廣的價值。

二、氯氣的制備與性質實驗

（一）實驗改進原因

在人教版化學必修 1 課本中，關于氯氣的漂白性、氧化性、還原性等性質的檢驗實驗內容分散，需要多次重復使用氯氣。這個實驗雖然現象明顯，但是實驗過程中卻存在以下問題：要另外搭建制取裝置收集氯氣；預先收集的氯氣在課堂演示時會泄露而產生污染，影響課堂效果及師生身體健康；氯氣用量大導致原料浪費。而且對于氯氣性質如氧化性、還原性等知識沒有很好地進行探究，但這一知識點卻是高考的重點內容。因此，設計高效、簡潔、環保、易操作、現象明顯且能集氯氣制備、性質檢驗的一體式實驗裝置顯然很有意義?；诖?，筆者設計了如下實驗裝置來完成這一系列實驗（如圖 3 所示）。

（二）實驗儀器及藥品

儀器：具支試管、導管、橡皮塞、硬質玻璃管、鐵架臺、注射器。

藥品：濃鹽酸、高錳酸鉀溶液、飽和食鹽水、無水氯化鈣、有色布條、KI 淀粉試紙、氫氧化鈉溶液、棉花。

（三）實驗操作及現象

1.連接好實驗裝置并檢查裝置的氣密性；

2.在具支管 Ⅰ 中加入少量的高錳酸鉀固體，在管口插入吸有濃鹽酸的注射器；

3.將適量濃鹽酸滴入裝有高錳酸鉀固體的具支管 Ⅰ 中，立即有黃綠色的氣體產生；endprint

4.在硬質玻璃管中，發現干的有色布條無明顯現象，濕潤的有色布條褪色，濕潤的 KI 淀粉試紙變藍，蘸有氫氧化鈉溶液的棉花能夠吸收多余的氯氣，小氣球防止氯氣擴散到空氣中污染環境。

（四）實驗原理

氯氣的制?。?/p>

2KMnO4+16HCl（濃）=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

蘸有食鹽水、無水氯化鈣的棉花：除去 HCl 氣體及除水蒸氣。

干的有色布條：不褪色說明 Cl2 沒有漂白性。

濕的有色布條：褪色說明 Cl2 和 H2O 反應生成的 HClO 具有漂白性。

濕潤的 KI 淀粉試紙：

2KI+Cl2=2KCl+I2 （I2遇到淀粉變藍色）

蘸有 NaOH 溶液的棉花：

Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O

（五）實驗優點

1.儀器方便易得，實驗裝置簡易輕便，實驗操作簡單?，F象明顯且用時較短。避免了氯氣用量大而造成浪費和空氣污染，而且實驗效果好，有利于環保，符合綠色化學理念。

2.將氯氣的制取及性質實驗一體化，有利于分組實驗進行探究性學習，符合新課改理念。

3.在封閉的小空間內進行實驗，體現了實驗微型化、綠色化的思想。

4.對其它有毒氣體（如 SO2、NO2）的制取及性質實驗有較強的示范性，有利于培養學生創新意識。

就中學化學實驗教學而言，要在教學活動中實施素質教育、培養學生的創造能力，應該在課程、教材、教法、研究等方方面面都做周密的思考，敢于對課堂內外的實驗教學做大膽的改革和創新?；瘜W實驗教學應走素質教育之路，通過實驗教學培養學生的創造力、動手能力，培養學生的科學思維、科學態度。開發適合課堂上進行的一體式實驗裝置，不僅可以激發學生學習化學的興趣，調動學生學習的積極性、主動性和創造性，而且可以優化課堂教學，提高課堂教學質量。這對于新課改下全面實施素質教育，培養學生的創新精神和實踐能力都具有非常重要的意義。

【參考文獻】

[1]李再峰.綠色化學實驗[M].武漢：華中科技大學出版社，2005

[2]王 春.化學新課程教學中實施綠色化學教育的策略探討[J].化學教學，2009（7）

（責編 盧建龍）endprint