論改進實驗是對教材的延伸和拓展
——以《二氧化氮的制備及相關性質》改進實驗為例

◆尚磊

(鞍山市海城高中)

一、問題的提出

舊人教版中二氧化氮的制備裝置的缺點：裝置氣密性是重要挑戰的問題，一旦泄露，對實驗教師和學生身體都有一定的傷害；固液分離困難，反應不易控制；空氣干擾，一氧化氮干擾；排空氣收集不徹底。

新課標人教版化學必修一教材中則刪除了二氧化氮的制備實驗，但提出了二氧化氮和水反應的科學探究，但對二氧化氮的制備及相關實驗裝置并未給出，學生只能在教師的語言描述中進行宏觀了解，缺少親手實驗的直觀體驗，導致探究實驗徒有形式，可操作性極差，同時氮及其化合物的性質在非金屬元素化合物中占有重要地位，關于金屬與濃、稀硝酸反應的考察也備受高考的偏愛。然而由于氮氧化物有毒，影響人體健康，因此，本次改進實驗遵循了綠色化學理念，聯系生活實際，改進了實驗方法，實驗現象明顯，且無毒無害。

綠色化學又稱環境友好化學或清潔化學，是從源頭上防止污染產生或把化學過程對環境的負面影響降到最低程度的化學。綠色化學要求原料和產品無害，在化學過程中不產生“三廢”或使“三廢”降低到最低程度。

化學實驗綠色化的途徑：

(1)開發綠色實驗；

(2)防止實驗過程中尾氣、廢物等對環境的污染，實驗中有危害性氣體產生時要加強尾氣吸收，對實驗產物盡可能再利用；

(3)在保證實驗效果的前提下，盡量減少實驗試劑的用量，使實驗小型化、微型化；

(4)對于危險或反應條件苛刻，污染嚴重或儀器、試劑價格昂貴的實驗，可采用計算機模擬化學實驗或觀看實驗錄像等辦法；

(5)妥善處置實驗產生的廢物，防止污染環境。

二、實驗目的

1.通過微型化實驗制取微量二氧化氮，試驗其性質

(1)觀察Cu 與濃HNO3反應現象；

(2)觀察NO2氣體的顏色；

(3)觀察NO2與H2O的反應現象；

(4)觀察產物NO與O2的反應現象；

(5)觀察NO2、O2、H2O反應生成HNO3的現象；

(6)觀察生成的HNO3遇石蕊的顏色變化。

2.體驗實驗微型化與規范化的關系

3.培養進行化學實驗改進和創新設計的意識

三、實驗的改進

1.改進方法

本實驗利用醫用點滴袋和點滴瓶之間形成的一個相對密閉的小氣室，使少量二氧化氮在密閉空間擴散，現象明顯，并防止泄露。具體操作如下：在醫用點滴袋中演示銅與濃硝酸反應產生二氧化氮和硝酸銅的實驗，同時觀察二氧化氮氣體的顏色；在點滴瓶中演示二氧化氮與水的反應，一氧化氮與氧氣的反應，繼而得出二氧化氮、氧氣和水反應，最后所得溶液能使石蕊試液變紅

2.實驗儀器與藥品

儀器：點滴袋、點滴瓶、注射器(2支)、輸液器(3支)、燒杯

藥品：濃硝酸、銅絲、石蕊試液

3.改進后實驗操作和現象

(1)將銅絲插入點滴袋

(2)用注射器量取10mL濃硝酸，注入點滴袋，使銅絲與濃硝酸充分接觸，觀察到銅絲與濃硝酸劇烈反應，溶液變為綠色，產生紅棕色氣體二氧化氮。即：Cu +4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

(3)當氣體充滿點滴袋，抽出銅絲，反應停止

(4)用導管連接點滴袋和裝滿水的點滴瓶

(5)打開止水夾，迅速擠壓點滴袋，將氣體排入點滴瓶，觀察到瓶中液面迅速下降，氣體顏色變淺。關閉止水夾，拆除瓶上裝置，振蕩，氣體變為無色，瓶身略有凹陷，說明二氧化氮與水反應生成無色氣體，且氣體體積變小，即：3NO2+H2O=2HNO3+NO。

(6)向瓶中注入一定量的空氣，無色氣體迅速變為紅棕色，說明一氧化氮遇氧氣生成二氧化氮氣體，重復操作。即：2NO+O2=2NO2。

(7)取一定量石蕊試液，注入點滴瓶，溶液變紅，說明二氧化氮與水反應生成硝酸。即：4NO2+O2+2H2O=4HNO3或4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

四、改進后的優點

1.取材方便，應用廣泛

實驗器材來源于廢舊的醫療用品(使用前要徹底消毒)，現在醫院使用的注射液點滴袋、點滴瓶和輸液器均由一些高結晶度塑料如PP(主要成分是聚丙烯)，PVC(主要成分是聚氯乙烯)等組成，其體積小，重量輕，質軟(易變性)，韌性好，耐強酸強堿，透明度高，最重要的是密封性好，是進行有毒氣體的制備和性質實驗的絕佳容器。可推廣至銅與稀HNO3反應生成一氧化氮或氯酸鉀與濃鹽酸反應生成氯氣的實驗。

2.儀器簡單、操作方便(固液易分離，產生氣體的量可控制)

3.耗時較短，現象明顯

4.體系封閉，安全可靠，環境友好

五、注意事項

(1)點滴袋使用前要清洗并抽真空，防止空氣干擾；點滴瓶清洗后要住滿

(2)銅絲在插入點滴瓶前要將尖頭卷起，防止插入后將點滴袋戳破，造成二氧化氮的泄露

(3)用注射器量取濃硝酸時不能將金屬針頭直接伸入濃硝酸，防止污染試劑

(4)向點滴袋中注入濃硝酸時，要由銅絲插入處注酸，且防止漏酸，以防在袋外發生反應，產生有毒氣體，污染環境

(5)實驗結束后，向點滴袋中注入一定量的水，對溶液進行稀釋，在排風處將點滴袋剪開，排放可能剩余的有毒氣體。含硝酸銅的溶液要加入硫化鈉處理后再排入下水道，以防重金屬污染水源和土壤

六、反思與評價

改進實驗的目的是在教材實驗基礎上進行的延伸和拓展，因為教材的編寫往往會滯后于實驗儀器和科學技術的發展，而實驗的基本操作方法也會隨著儀器的發展而改變。這就要求教師在實驗教學過程中，與時俱進，能夠針對教學內容，并結合學生認知水平，進行類似于科學探究的學習和嘗試，進而激發學生實驗探究的積極性；在問題的解決過程中，實現串聯實驗內容，梳理知識體系，并培養學生獨立科研能力，人際溝通能力，并且使學生有樂于服務的人生觀；滿足學生多元學習的需求，有效的解決了部分教材實驗老舊繁，現象不明、原理不清的問題，形成完善的學科知識體系，特別是數字化、微型化實驗的介入改變了教與學的形態，促進了結構化的學科知識、技能體系的形成、有效的培養了學生的學科核心素養。