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微型化学实验是20世纪80年代崛起、国际公认能体现绿色化学理念的一种化学实验的新技术和新方法。它具有减少污染、现象明显、快速、节约、安全等优点,并以其良好的教学功能和教学效果,在化学实验教学改革等领域扮演着重要的角色,引起世界各国化学界的高度重视。中学微型化学实验是微型化学实验的重要组成部分,更是当前中学化学实验教学改革的热点。
一、问题的提出
在新课标化学教材中实验所占的比重很大,实验过程中往往会产生、排放大量的有毒有害物质,这些物质的排放给环境造成了危害。用绿色化学观点改进中学化学实验,是培养学生绿色化学思想又一重要的教育方法。同时,实验又是绿色化学教育中不可缺少的组成部分。对中学化学实验进行微型实验,使其向无污染方向发展,这是当今中学化学实验的发展方向。
二、研究目的与要求
1.研究新的绿色的化学实验:根据化学教学需要,发现、设计或选择没有污染和安全的实验取代那些污染严重或危险性大的实验。
2.深入对微型化学实验的研究:在能获取所需化学实验信息的前提下,采有“尽可能少剂量实验”,以减少或消除实验废物。
其中,加强对无毒气污染实验的研究是绿色化学实验研究的一个重点,因为,消除了有毒气体的污染就是消除了基础化学实验中最大的污染源。我们在采用微型化学实验进行“化学教育中的创新教育模式”实验班的教学实践中,对绿色化学实验问题进行了初步的研究与实践,营造了较为良好的课堂实验教学环境。
三、微型化、绿色化实验研究案例
案例一,铜与稀硝酸反应制取一氧化氮
[存在的问题]铜与稀硝酸发生反应的化学方程式为:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。铜与稀硝酸反应,由于产生的无色一氧化氮很容易与空气中的氧气反应生成红棕色二氧化氮,从而无法判断出铜与稀硝酸到底是生成一氧化氮还是二氧化氮,实验现象与理论反应无法吻合,给教学工作带来负面影响,而且气体泄漏会污染空气。
[改进措施]
1.把两片铜片放进注射器内,向注射器内吸取少量水,再排净,注射器内无空气。
2.向注射器内吸取稀硝酸,迅速把注射器的针头插入胶塞,使装置与空气隔绝,把注射器倒立,记录稀硝酸的体积。
3.观察注射器内的现象并记录稀硝酸的体积。反应一段时间后,把无色气体挤入密闭盛有空气的小瓶内,观察小瓶内气体颜色的变化。
4.用注射器吸取小量的浓氢氧化钠溶液于小瓶内,并摇动小瓶。
[实验评价]本实验反应在缺氧条件下进行,能观察到NO的“庐山真面目”——无色气体;实验中没有向空气中排放有毒气体,避免了空气受到污染;器材简单、操作方便、现象明显。
案例二,实验室制取氯气及氯气性质实验。
[存在的问题]氯气是有毒气体,泄漏到空气中会污染大气,影响身体健康。而且验证氯气性质实验较多,按照教材操作比较繁琐,且不可避免造成氯气泄漏。
[改进措施]实验装置如右图:五条滤纸条(宽约为1cm,长不超过试管直径),纸条上分别滴有①品红试液;②石蕊试液;③淀粉-KI试液;④Na2S溶液;⑤KBr溶液;⑥高锰酸钾晶体;⑦吸有浓盐酸的胶头滴管。
实验步骤:实验时只须挤几滴浓盐酸即可发生变化:①褪色;②先变红后褪色;③变蓝;④出现淡黄色固体;⑤变为橙红色。
[实验评价]装置简单、现象明显、所需药品少、无污染。
微型化学实验不是普通实验的简单微缩,也不是对常规实验的补充,它是在绿色化学思想的指导下,用预防化学污染的新思想、新方法和新技术对常规实验改革和发展的必然结果。
案例三,电解饱和食盐水。
[存在的问题]反应在U型管里进行,使得离子在两极之间迁移距离过长,造成整个电路的电阻较大,电源功率损耗大,使阴、阳两极产生的气泡较少,很难收集到足够的氢气;用铁棒作电极,电阻大,表现积太小,不利于氢气的产生,也难收集到足够的氢气进行验证实验;尾气没有及时处理,不符合绿色环保的新理念。
[改进措施]将一块滤纸裁成两半,取一半平放在玻璃板上,用NaCl酚酞试液充分浸润,分别用旧电池芯、铁钉作阳、阴极,按如下图方式轻轻将电极卷在其中,并接通电源。
通电2分钟后,立即打开裹有碳棒的一端滤纸,滴入一滴碘化钾——淀粉溶液,滤纸变蓝,证明阳板有氯气生成,再打开另一端,发现滤纸变红,证明NaOH在阴极生成。
[实验评价]药品用量少,电极产物检验简单,现象直观,节省时间。实验操作简单,效果明显,可用作教师演示实验和学生实验,以提高学生学习的参与度。
案例四,浓硫酸的脱水性实验。
[存在的问题]人教版高一课本P134,在200ml烧杯中放入20g蔗糖,加入几滴水,搅拌均匀。然后注入15ml的质量分数为98%的浓硫酸,迅速搅拌。实验过程中,由于蔗糖及浓硫酸用量的偏多,其炭化过程中伴随碳的氧化反应产生的二氧化碳、二氧化硫酸性气体副产物的产生,带来了严重的室内污染问题,经常使授课教师和学生处于严重的有害气体环境之中。
[改进措施]取2g蔗糖(C12H22O11)放入大试管中,加入约5ml浓硫酸,迅速搅拌,然后塞上带导管的橡皮塞,将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中,观察实验现象。这样用大试管代替小烧杯作为实验仪器,实验中蔗糖的用量由10g减少至2g,浓硫酸用量由原来的10～15ml,减少为5ml,甚至2～3ml。试
管代替了烧杯,虽然反应物用量减少,但由于实验仪器高度的增加,生成的碳块儿沿着试管壁“长”高,反倒增强了实验的演示效果,达到了实验的预期目的。
[实验评价]通过演示实验选择优化,减少了实验药品的用量,大幅度减少了有害气体的生成量,既达到了保护实验者的目的,又渗透了绿色化学理念,强化了学生环境保护的意识。
四、小 结
微型化学实验是在绿色化学理念下,在微型化的条件下对化学实验的创新性变革,是21世纪的化学工作者所应掌握的一种新技术、新方法;深刻领会到中学微型化学实验在激发学生学习兴趣、强化动手能力的训练、提高科学素质、培养创新思维、树立绿色化学观念等方面的独特功效,进一步明确开展中学微型化学实验的现实意义、目标和方法,增强自己的使命感。
当然,微型化学实验也有它的不足之处。例如,较忽视基本操作的规范性,较少考虑实验中有关的安全因素等。因此,微型实验虽然具有许多优越性,但也并不是所有实验都可用之代替的。在教学中,应根据实验的内容、目的、现象和定量要求等进行选择,使常规实验和微型实验相结合,两者取长补短,这样可以发挥更好的教学效果。
一、问题的提出
在新课标化学教材中实验所占的比重很大,实验过程中往往会产生、排放大量的有毒有害物质,这些物质的排放给环境造成了危害。用绿色化学观点改进中学化学实验,是培养学生绿色化学思想又一重要的教育方法。同时,实验又是绿色化学教育中不可缺少的组成部分。对中学化学实验进行微型实验,使其向无污染方向发展,这是当今中学化学实验的发展方向。
二、研究目的与要求
1.研究新的绿色的化学实验:根据化学教学需要,发现、设计或选择没有污染和安全的实验取代那些污染严重或危险性大的实验。
2.深入对微型化学实验的研究:在能获取所需化学实验信息的前提下,采有“尽可能少剂量实验”,以减少或消除实验废物。
其中,加强对无毒气污染实验的研究是绿色化学实验研究的一个重点,因为,消除了有毒气体的污染就是消除了基础化学实验中最大的污染源。我们在采用微型化学实验进行“化学教育中的创新教育模式”实验班的教学实践中,对绿色化学实验问题进行了初步的研究与实践,营造了较为良好的课堂实验教学环境。
三、微型化、绿色化实验研究案例
案例一,铜与稀硝酸反应制取一氧化氮
[存在的问题]铜与稀硝酸发生反应的化学方程式为:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O。铜与稀硝酸反应,由于产生的无色一氧化氮很容易与空气中的氧气反应生成红棕色二氧化氮,从而无法判断出铜与稀硝酸到底是生成一氧化氮还是二氧化氮,实验现象与理论反应无法吻合,给教学工作带来负面影响,而且气体泄漏会污染空气。
[改进措施]
1.把两片铜片放进注射器内,向注射器内吸取少量水,再排净,注射器内无空气。
2.向注射器内吸取稀硝酸,迅速把注射器的针头插入胶塞,使装置与空气隔绝,把注射器倒立,记录稀硝酸的体积。
3.观察注射器内的现象并记录稀硝酸的体积。反应一段时间后,把无色气体挤入密闭盛有空气的小瓶内,观察小瓶内气体颜色的变化。
4.用注射器吸取小量的浓氢氧化钠溶液于小瓶内,并摇动小瓶。
[实验评价]本实验反应在缺氧条件下进行,能观察到NO的“庐山真面目”——无色气体;实验中没有向空气中排放有毒气体,避免了空气受到污染;器材简单、操作方便、现象明显。
案例二,实验室制取氯气及氯气性质实验。
[存在的问题]氯气是有毒气体,泄漏到空气中会污染大气,影响身体健康。而且验证氯气性质实验较多,按照教材操作比较繁琐,且不可避免造成氯气泄漏。
[改进措施]实验装置如右图:五条滤纸条(宽约为1cm,长不超过试管直径),纸条上分别滴有①品红试液;②石蕊试液;③淀粉-KI试液;④Na2S溶液;⑤KBr溶液;⑥高锰酸钾晶体;⑦吸有浓盐酸的胶头滴管。
实验步骤:实验时只须挤几滴浓盐酸即可发生变化:①褪色;②先变红后褪色;③变蓝;④出现淡黄色固体;⑤变为橙红色。
[实验评价]装置简单、现象明显、所需药品少、无污染。
微型化学实验不是普通实验的简单微缩,也不是对常规实验的补充,它是在绿色化学思想的指导下,用预防化学污染的新思想、新方法和新技术对常规实验改革和发展的必然结果。
案例三,电解饱和食盐水。
[存在的问题]反应在U型管里进行,使得离子在两极之间迁移距离过长,造成整个电路的电阻较大,电源功率损耗大,使阴、阳两极产生的气泡较少,很难收集到足够的氢气;用铁棒作电极,电阻大,表现积太小,不利于氢气的产生,也难收集到足够的氢气进行验证实验;尾气没有及时处理,不符合绿色环保的新理念。
[改进措施]将一块滤纸裁成两半,取一半平放在玻璃板上,用NaCl酚酞试液充分浸润,分别用旧电池芯、铁钉作阳、阴极,按如下图方式轻轻将电极卷在其中,并接通电源。
通电2分钟后,立即打开裹有碳棒的一端滤纸,滴入一滴碘化钾——淀粉溶液,滤纸变蓝,证明阳板有氯气生成,再打开另一端,发现滤纸变红,证明NaOH在阴极生成。
[实验评价]药品用量少,电极产物检验简单,现象直观,节省时间。实验操作简单,效果明显,可用作教师演示实验和学生实验,以提高学生学习的参与度。
案例四,浓硫酸的脱水性实验。
[存在的问题]人教版高一课本P134,在200ml烧杯中放入20g蔗糖,加入几滴水,搅拌均匀。然后注入15ml的质量分数为98%的浓硫酸,迅速搅拌。实验过程中,由于蔗糖及浓硫酸用量的偏多,其炭化过程中伴随碳的氧化反应产生的二氧化碳、二氧化硫酸性气体副产物的产生,带来了严重的室内污染问题,经常使授课教师和学生处于严重的有害气体环境之中。
[改进措施]取2g蔗糖(C12H22O11)放入大试管中,加入约5ml浓硫酸,迅速搅拌,然后塞上带导管的橡皮塞,将玻璃导管的另一端插入盛有品红溶液的试管中,观察实验现象。这样用大试管代替小烧杯作为实验仪器,实验中蔗糖的用量由10g减少至2g,浓硫酸用量由原来的10～15ml,减少为5ml,甚至2～3ml。试
管代替了烧杯,虽然反应物用量减少,但由于实验仪器高度的增加,生成的碳块儿沿着试管壁“长”高,反倒增强了实验的演示效果,达到了实验的预期目的。
[实验评价]通过演示实验选择优化,减少了实验药品的用量,大幅度减少了有害气体的生成量,既达到了保护实验者的目的,又渗透了绿色化学理念,强化了学生环境保护的意识。
四、小 结
微型化学实验是在绿色化学理念下,在微型化的条件下对化学实验的创新性变革,是21世纪的化学工作者所应掌握的一种新技术、新方法;深刻领会到中学微型化学实验在激发学生学习兴趣、强化动手能力的训练、提高科学素质、培养创新思维、树立绿色化学观念等方面的独特功效,进一步明确开展中学微型化学实验的现实意义、目标和方法,增强自己的使命感。
当然,微型化学实验也有它的不足之处。例如,较忽视基本操作的规范性,较少考虑实验中有关的安全因素等。因此,微型实验虽然具有许多优越性,但也并不是所有实验都可用之代替的。在教学中,应根据实验的内容、目的、现象和定量要求等进行选择,使常规实验和微型实验相结合,两者取长补短,这样可以发挥更好的教学效果。