綠色微型一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以“氯水的成分和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”為例

董雅男

(陜西師大附中渭北中學(xué) 710600)

一、問題的提出

氯氣的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中階段重要的實(shí)驗(yàn)，因此氯氣的性質(zhì)研究成了近年來中學(xué)化學(xué)教師的研究熱點(diǎn).氯氣的性質(zhì)可以通過氯水的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出來，氯水的成分和性質(zhì)是高中化學(xué)必修內(nèi)容，也是高考熱門的考點(diǎn).但是由于氯氣有毒，必修一課本上沒有設(shè)置氯氣的制備及系列性質(zhì)探究的演示實(shí)驗(yàn)，所以很多教師采用播放實(shí)驗(yàn)視頻的方式代替課堂動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)方式，學(xué)生不能真切地感受實(shí)驗(yàn)過程.為切實(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)和感受知識(shí)的生成過程，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和探究精神，筆者設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀的微型實(shí)驗(yàn).

二、研究現(xiàn)狀

近年來很多教師做了氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，并且取得了一定的成果.如，劉江老師的“氣體制備及性質(zhì)驗(yàn)證綜合一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，采用注射器、輸液軟管、三通旋塞等器材在封閉環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)探究，綠色環(huán)保，但是裝置稍復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)不具連續(xù)性；王秀榮老師的“氯氣的制備與性質(zhì)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”，采用注射器、U形管、干燥管等器材完成了氯氣的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，性質(zhì)實(shí)驗(yàn)較為全面，但是未能在封閉的環(huán)境中進(jìn)行尾氣處理；羅兵老師的“氯氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的組合化與微型化設(shè)計(jì)”，采用試管完成了氯氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，性質(zhì)實(shí)驗(yàn)較為全面，但所用儀器較多，操作稍復(fù)雜.

三、氯水的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)原理

(1)氯氣的制備：

2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

(2)氯水的制備：

(3)氯水性質(zhì)檢驗(yàn)：

(4)氯氣尾氣的吸收：

2.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：注射器、四通、兩通閥.

實(shí)驗(yàn)試劑：高錳酸鉀、濃鹽酸、蒸餾水、稀硝酸、硝酸銀、紫色石蕊、紙條、氫氧化鈉.

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置(如圖1所示)

4.實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象和結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)步驟

①組裝儀器.組成實(shí)驗(yàn)裝置，見圖1，并檢驗(yàn)裝置氣密性.

②添加試劑.向1號(hào)注射器中裝入高錳酸鉀固體，2號(hào)注射器中裝入蒸餾水，3號(hào)注射器中裝入濃鹽酸，4、5號(hào)注射器中分別裝入硝酸酸化的硝酸銀溶液和紫色石蕊溶液，通過一個(gè)魯爾外旋四通接頭和4個(gè)兩通閥將這4支注射器連通.其次向6號(hào)注射器中裝入制備的氯氣，7、8號(hào)注射器中分別裝入濕潤(rùn)的紅色紙條和干燥的紅色紙條，9號(hào)注射器中裝入氫氧化鈉溶液，通過一個(gè)魯爾外旋四通接頭和4個(gè)兩通閥將這4支注射器連通.

③制備氯氣.將3號(hào)注射器中的濃鹽酸擠入到1號(hào)注射器中.

④制備氯水.將1號(hào)注射器中收集到的氯氣擠入到2號(hào)注射器中.

⑤氯水成分的檢驗(yàn).Cl2的檢驗(yàn)：觀察制備的氯水的顏色.氯離子的檢驗(yàn)：將2號(hào)注射器中的氯水?dāng)D入到4號(hào)注射器中.H+的檢驗(yàn)：將2號(hào)注射器中的氯水?dāng)D入到5號(hào)注射器中.漂白性物質(zhì)的檢驗(yàn)：將6號(hào)注射器中的氯氣同時(shí)擠入到7、8號(hào)注射器中.

⑥尾氣吸收.

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

步驟③中，1號(hào)注射器不斷向外被推動(dòng)，說明1號(hào)注射器中產(chǎn)生了氯氣，見圖2.步驟④中，2號(hào)注射器中形成的氯水未達(dá)到飽和狀態(tài)，不容易觀察到氯水的顏色，圖3是將大量氯氣溶解于水中形成的飽和氯水，可觀察到溶液為黃綠色說明氯水中存在氯氣分子.步驟⑤中，4號(hào)注射器中溶液變渾濁，產(chǎn)生了白色沉淀，見圖2，說明氯水中含有氯離子；5號(hào)注射器中紫色石蕊溶液先變紅，見圖5，隨后紅色變淺，見圖6，說明氯水中含有氫離子和具有漂白性的物質(zhì)；7號(hào)注射器中濕潤(rùn)的紅色紙條褪色，見圖7，8號(hào)注射器中干燥的紅色紙條沒有褪色，見圖8，說明氯氣沒有漂白性，氯氣與水反應(yīng)生成的新物質(zhì)(次氯酸)具有漂白性.

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

氯氣能溶于水，新制氯水中含有Cl2、H2O、HClO、H+、Cl-、ClO-、OH-；新制氯水具有酸性、氧化性和漂白性，且漂白后的產(chǎn)物穩(wěn)定，具有不可逆性.

四、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

1.教育改革和社會(huì)發(fā)展都呼喚著綠色化學(xué)，因此提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和能力是所有化學(xué)教師都需要關(guān)注的問題，這就要求教師要意識(shí)到在教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育的重要性.本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以綠色化學(xué)為主，利用成本低廉、操作簡(jiǎn)單、可循環(huán)使用的密閉微型實(shí)驗(yàn)裝置完成氯水的成分和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究.

2.微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的新突破.本論文設(shè)計(jì)的就是微型化實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、節(jié)能環(huán)保、方便安全，也可用于其他氣體的制備及性質(zhì)探究，如SO2、CO2、C2H4等.

3.化學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.截至目前為止，涉及到有毒氣體的實(shí)驗(yàn)大多只能做演示實(shí)驗(yàn)，無法進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)是在封閉的微型裝置中進(jìn)行，試劑用量少、安全無污染，因此不僅可以開設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，還可應(yīng)用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn).