微型化學實驗及其在中學教學中的應用

徐敏，柳傲雪，曾永明

（昌吉學院化學與應用化學系，新疆昌吉831100）

在微型化學教學改革的大潮中，微型化學實驗的改革和發(fā)展已經(jīng)成為人們十分重視的熱門話題。二十世紀80年代美國化學家Mayo對微型化學實驗的概念進行了界定，即用盡可能少的化學藥品與試劑獲取所需要的化學信息與原理的實驗技術(shù)。在我國，關(guān)于微型化學實驗的定義有以下幾種：第一種認為微型化學實驗是為了減少消耗和化學污染而發(fā)展起來的一種化學實驗的新方法；第二種定義是在微型化的儀器裝置中進行的化學實驗，其試劑用量比對應的常規(guī)實驗節(jié)省90%以上，該概念是由我國周寧懷教授提出來的；第三種認為微型化學實驗是在專門設(shè)計的微型儀器中進行的化學實驗，在不影響化學實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，用盡可能少的試劑來獲取化學信息的實驗方法與技術(shù)。根據(jù)概念一般從其本質(zhì)屬性和種類進行界定的原則，我們認為第三種概念相對來說比較準確。

微型化學實驗遵循現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理念，在實驗過程中不僅試劑用量少，安全環(huán)保，而且可以使實驗在較短時間內(nèi)完成，保證了化學實驗的次數(shù)，對于培養(yǎng)學生的實驗素質(zhì)和科學素養(yǎng)有著重要的作用。當前，微型化學實驗還處在不斷嘗試和探索中，在日常教學中的應用還比較少，且中學化學實驗教學被忽視的現(xiàn)象越來越嚴重，尤其是重化學理論而輕化學實驗，重化學實驗結(jié)果而輕化學實驗過程的現(xiàn)象普遍存在。另外，微型化學實驗不僅能提高學生實驗技能，還能激發(fā)學生的學習興趣，更好地幫助學生理解和掌握有關(guān)的化學知識，提高學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。因此微型化學實驗的推廣迫在眉睫。

高中微型化學實驗就是把微型化學實驗的理念應用于高中化學實驗中，其優(yōu)點是儀器微型化，藥品用量少；學生有較大的自主發(fā)揮空間，能促進學生自主學習，主動地發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計實驗、觀察實驗。概括起來，微型化學實驗設(shè)計應遵循科學性、安全性、可視化、簡便化、可操作化、趣味性、探究性實驗原則。

1 微型化學實驗設(shè)計案例——銅與硝酸反應的微型化實驗

在中學化學實驗教學中銅分別與濃硝酸和稀硝酸反應是中學化學經(jīng)常使用的演示實驗，其能讓學生通過實驗現(xiàn)象分析和得出實驗結(jié)果認識化學物質(zhì)的本質(zhì)，理解不同濃度硝酸的氧化性，但是該反應會分別產(chǎn)生有害氣體NO和NO，進而污染空氣。目前，對該演示試驗的微型化設(shè)計已經(jīng)有大量的報道，但是均存在著一些不足，比如①實驗裝置的安全性差；②實驗反應速率難以控制；③實驗尾氣隨意排放，污染環(huán)境。

針對以上缺點，我們對銅分別與濃硝酸和稀硝酸反應的微型實驗裝置進行改進，有效地提高了學生的環(huán)境保護意識和動手能力，進一步加強了學生科學素質(zhì)教育。

1.1 實驗原理

1.2 微型實驗設(shè)計思路

在經(jīng)典的銅與硝酸反應中，會產(chǎn)生大量的有毒氣體NO和NO，但是無色的NO氣體不易觀察，且它們均嚴重污染環(huán)境。我們設(shè)計串聯(lián)反應裝置，通過一次實驗，就能夠了解不同濃度硝酸的氧化性大小，且通過中和反應有效除去反應中產(chǎn)生的有毒氣體。基于此，我們采用特制U型管作為反應裝置，嘗試使用醫(yī)用注射器在反應中加入硝酸和氧氣，簡化實驗裝置，反應結(jié)束后，使用醫(yī)用注射器向反應體系中注入氫氧化鈉溶液，除去有毒尾氣，且中和了反應廢液稀硝酸，防止環(huán)境污染。上述U型管內(nèi)發(fā)生如下反應：

1.3 微型實驗裝置設(shè)計（圖1）

圖1 微型實驗裝置設(shè)計

1.4 實驗儀器和藥品

實驗儀器：特制U型管1支，注射器（帶針頭）2支，橡膠塞2個，燒杯。實驗藥品：等量的銅片2塊，濃硝酸，稀硝酸，NaOH溶液。

1.5 實驗步驟及現(xiàn)象

（1）首先檢查裝置氣密性。

（2）將等量的銅片分別置于U型管底部和醫(yī)用注射器中。

（3）排干凈醫(yī)用注射器內(nèi)的空氣，再吸取濃硝酸，快速將醫(yī)用注射器針頭插在輸液管上，仔細觀察銅片表面，會產(chǎn)生大量氣泡，并且隨著反應進行氣泡會逐漸加快，紅棕色NO氣體很快充滿U型管大端部分，同時醫(yī)用注射器內(nèi)溶液由無色變?yōu)樗{綠色硝酸銅溶液。這個反應現(xiàn)象是由于銅片與濃硝酸發(fā)生了反應，產(chǎn)生了大量的NO紅棕色氣體和藍綠色硝酸銅溶液。小心用手摸醫(yī)用注射器管壁，會發(fā)現(xiàn)燙手，說明該反應是放熱反應。

（4）隨著紅棕色NO氣體不斷向U型管內(nèi)水中溶解，觀察到U型管大端液面向上緩慢升起，U型管大端紅棕色NO氣體變淺，這表明3當量的紅棕色NO氣體與水發(fā)生反應，生成了稀硝酸和1當量的無色NO氣體，這不但使得U型管大端的壓強變小，而且生成的無色NO氣體稀釋了U型管大端的紅棕色NO氣體。另外，U型管底部的銅片表面不斷出現(xiàn)小氣泡，無色液體逐漸變成藍綠色溶液，且U型管小端液面緩慢下降，但U型管小端液面上部仍然保持無色，這表明紅棕色NO氣體與水反應生成的稀硝酸與銅反應，生成了無色的NO氣體和藍綠色硝酸銅溶液。相關(guān)反應式為：

（5）5 min后，U型管小端的無色NO氣體濃度增大；將另一支充滿大部分空氣的醫(yī)用注射器插在橡皮塞上，拉動活塞吸氣，仔細觀察醫(yī)用注射器內(nèi)氣體的顏色，發(fā)現(xiàn)其逐漸變?yōu)榧t棕色，這說明U形管小端的無色NO氣體與空氣中氧氣反應生成了紅棕色NO氣體。

（6）第一支醫(yī)用注射器內(nèi)再吸入氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)注射器內(nèi)有藍色的沉淀物生成，這表明藍綠色硝酸銅溶液與無色氫氧化鈉溶液反應，生成了藍色的氫氧化銅沉淀，反應式如下：

（7）實驗完畢后，用注射器向上述U型管內(nèi)注入無色氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)U型管內(nèi)有藍色沉淀物生成，表明稀硝酸首先和銅反應生成的藍綠色硝酸銅溶液繼續(xù)與無色氫氧化鈉溶液反應，生成了藍色的氫氧化銅沉淀。

1.6 微型實驗設(shè)計反思與評價

上述微型化學實驗比常規(guī)化學實驗操作更加簡單方便，反應時間縮短，反應過程中有害氣體易控制，杜絕環(huán)境污染，趣味性強，實驗現(xiàn)象明顯，具有如下優(yōu)點：

（1）該實驗裝置整體密封，將這一反應體系的有毒氣體限制在實驗裝置內(nèi)，處理有毒尾氣方便、簡單、安全，從而提高學生的環(huán)保意識。

（2）化學實驗儀器操作簡便、微型化，大大減少了化學實驗試劑的量，從而節(jié)約化學實驗藥品。

（3）該實驗裝置使學生觀察實驗現(xiàn)象簡潔而方便，學生更加容易理解實驗原理，激發(fā)學生的興趣，提高學生的主動思考意識。

（4）實驗結(jié)束后，廢棄液的處理方便，能夠使用氫氧化鈉充分吸收，防止環(huán)境污染。

（5）實驗過程可靠性強，安全性高。

2 結(jié)論

微型化學實驗過程中始終貫穿綠色化學思想，有效實現(xiàn)“小劑量實驗、節(jié)約資源、減少環(huán)境污染、降低實驗成本”，是對中學化學中定量實驗的改革與發(fā)展，在化學教學與應用中具有不可忽視的作用。積極倡導教師開展和推廣微型化學實驗，可以有效增強師生對環(huán)境的保護意識，不斷提高學生的綜合素質(zhì)。微型化學實驗簡單易行、安全可靠、趣味性高、實驗現(xiàn)象明顯，極大地提高了學生參與實驗的積極性，培養(yǎng)了學生的動手能力和實驗技能；實驗快捷，驗證簡單，學生可以人人動手做實驗，改變“一人做，多人看”的局面，便于學生的自主探究；學生親手體驗科學研究，激發(fā)其學習化學的興趣，強化其科學探究的意識，促進其學習方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實驗能力。