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關(guān)鍵詞:氨氣;噴泉;制備;改進(jìn);一體化
中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1992-7711(2017)02-0078
人教版《高中化學(xué)(必修1)》中設(shè)計了氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)(如圖1所示),在干燥的圓底燒瓶里充滿氨,用帶有玻璃管和滴管(滴管里面預(yù)先吸入水)的塞子塞緊瓶口。倒置燒瓶,使玻璃管插入盛有水的燒杯(預(yù)先在水里滴入少量酚酞溶液)。輕輕擠壓滴管,使少量水進(jìn)入燒瓶。再打開下方止水夾,形成紅色的噴泉!
該實(shí)驗(yàn)構(gòu)思巧妙,現(xiàn)象新奇有趣,能吸引學(xué)生的注意,極大地激起學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)熱情!但是該實(shí)驗(yàn)也有一些值得改進(jìn)之處:
1. 氨氣的制備問題
筆者以“你最常用的氨氣的制備方法”為題,與本市20位高中化學(xué)教師進(jìn)行了交流訪談,并做了相應(yīng)記錄。統(tǒng)計后,筆者發(fā)現(xiàn):教師最常用的氨氣的制備方法是加熱濃氨水快速制備氨氣。具體方法如下:在一個干燥的圓底燒瓶鵲穩(wěn)爰傅聞ò彼,用橡皮塞輕輕塞住瓶口,在酒精燈的火焰上加熱,當(dāng)瓶口的塞子崩開時,氨氣即集滿,立即按圖1組裝裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
筆者認(rèn)為:此法制備氨氣沒有按照教材中的氨氣實(shí)驗(yàn)室制法進(jìn)行氨氣的制備且驗(yàn)滿方式不規(guī)范。在加熱濃氨水后,燒瓶內(nèi)部也不再是干燥的。氨氣有毒,逸出會染空氣,不符合綠色環(huán)保理念,更會刺激實(shí)驗(yàn)者的眼、口、鼻,引起短暫不適。
2. 實(shí)驗(yàn)裝置不能重復(fù)利用。每做一次實(shí)驗(yàn)就需更換一個干燥的圓底燒瓶;反復(fù)拆裝實(shí)驗(yàn)裝置十分不便,帶尖嘴的長導(dǎo)管易受損。
一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的
將噴泉實(shí)驗(yàn)的裝置固定化,流程規(guī)范化,操作簡單化,使之成為標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置。
二、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑
1. 儀器
試管、球形干燥管、圓底燒瓶、漏斗、三通導(dǎo)管、注射器、燒杯、鐵架臺、酒精燈、導(dǎo)管和止水夾若干
2. 試劑
氯化銨固體、氫氧化鈣固體、堿石灰、酚酞試液、蒸餾水、紅色石蕊試紙。
三、實(shí)驗(yàn)裝置
按圖2組成裝置。其中,試管內(nèi)加入已混合均勻的氫氧化鈉固體和氯化銨固體;球形干燥管內(nèi)裝入堿石灰;注射器內(nèi)吸入少量蒸餾水;燒杯中盛有蒸餾水。
四、實(shí)驗(yàn)操作
1. 組裝儀器并檢驗(yàn)氣密性。
2. 關(guān)閉K1、K4,打開K2、K3、K5;向大燒杯內(nèi)滴入幾滴酚酞試液。
3. 點(diǎn)燃酒精燈,加熱試管內(nèi)固體;在K5處用鑷子夾持一張濕潤的紅色石蕊試紙,待試紙變藍(lán)后,關(guān)閉K2、K3、K5,打開K1、K4后熄滅酒精燈。
4. 將注射器內(nèi)的水?dāng)D入圓底燒瓶內(nèi),再打開K3,引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)。
5. 待噴泉實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,移開大燒杯后打開K5,將圓底燒瓶內(nèi)的水排空。
6. 更換試管內(nèi)的藥品,大燒杯內(nèi)的蒸餾水,注射器內(nèi)重新吸入蒸餾水,反復(fù)進(jìn)行演示。
五、實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
1. 創(chuàng)新點(diǎn)
(1)顛覆了圓底燒瓶必須干燥才能做噴泉實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)觀念
在教學(xué)過程中,教師會反復(fù)強(qiáng)調(diào)氨氣極易溶于水,而學(xué)生容易產(chǎn)生錯誤的觀點(diǎn):只要有氨氣就不能有水,如果圓底燒瓶是濕潤的,肯定做不成噴泉實(shí)驗(yàn)。雖然氨氣在水中的溶解度很大,但是依然存在氨氣的飽和溶液,即飽和氨水!也就是說,本實(shí)驗(yàn)中可以反復(fù)使用的濕潤的圓底燒瓶中已經(jīng)存在了飽和氨水,不會再吸收新制備出的氨氣!
(2)實(shí)驗(yàn)操作簡單,裝置固定。只需打開和關(guān)閉相應(yīng)止水夾,不需要拆裝儀器
整個實(shí)驗(yàn)裝置組裝好之后,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時,教師只需要通過打開和關(guān)閉相應(yīng)止水夾,就可以控制氣流方向和水流方向。具體操作:制備氨氣時,關(guān)閉K1、K4,打開K2、K3、K5;進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)時,關(guān)閉K2、K3、K5,打開K1、K4,最后打開K3;排水時,打開K5即可。
(3)可重復(fù)性高。適時更換藥品即可反復(fù)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
更換試管內(nèi)的氯化銨和氫氧化鈣固體混合物,并連接固定好試管,即可馬上再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
(4)整個實(shí)驗(yàn)過程中幾乎沒有氨氣外泄,安全環(huán)保
在裝置中添加了倒置的小漏斗,可以吸收裝置中多余的氨氣,避免使之排放到空氣中,污染空氣,引起實(shí)驗(yàn)者的不適。
2. 優(yōu)點(diǎn)
(1)裝置的集成度高,集氨氣的制備,干燥、驗(yàn)滿,收集、性質(zhì)檢驗(yàn)及尾氣處理于一體
一體化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計,可以讓學(xué)生對氨氣的制備和性質(zhì)有整體的感知,避免了學(xué)習(xí)是知識碎片化,有利于學(xué)生的有效學(xué)習(xí)。
(2)實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化,嚴(yán)格按照教材中的氨氣制備方法和驗(yàn)滿方法進(jìn)行
氨氣的實(shí)驗(yàn)室制法和驗(yàn)滿方法是高中化學(xué)必修一當(dāng)中的重要知識,也是考查的重點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用教材中的制備方法,避免了知識的混亂;整合了驗(yàn)滿的方法,現(xiàn)象明顯,可以給學(xué)生留下深刻的印象。
(3)有助于學(xué)生認(rèn)識防倒吸裝置,加深綠色環(huán)保的科學(xué)理念
在教學(xué)中教師刻意強(qiáng)調(diào)氨氣在水中的溶解度很大,極易發(fā)生倒吸,學(xué)生會以為氨氣的倒吸是很可怕的,會產(chǎn)生畏難情緒,害怕爆炸。筆者在裝置中整合了防倒吸裝置,實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生可以很明顯地觀察到小漏斗在水面上下浮動,并不會倒吸到整個裝置中,確立了對氨氣性質(zhì)的客觀認(rèn)知,同時對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色環(huán)保理念起到了應(yīng)有的強(qiáng)調(diào)作用。
六、結(jié)束語
化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識化學(xué)物質(zhì)、了解化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的重要途徑。本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置現(xiàn)象明顯、設(shè)計巧妙、思維縝密、完整流暢,體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識,弘揚(yáng)了科學(xué)精神與社會責(zé)任,為培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)貢獻(xiàn)一份力量。
參考文獻(xiàn):
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一、噴泉實(shí)驗(yàn)形成的原理
噴泉實(shí)驗(yàn)是一種宏觀的液體噴涌現(xiàn)象,既有天然的,也有人為的它的形成主要是因?yàn)槿萜鲀?nèi)外存在較大的壓強(qiáng)差在這種壓強(qiáng)差的作用下,液體快速流動,通過帶有尖嘴的導(dǎo)管噴出來,即形成噴泉
二、噴泉實(shí)驗(yàn)形成的條件分析
從原理上分析使容器內(nèi)外產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)差是形成噴泉的重要條件,通常有以下兩種請況
壓強(qiáng)內(nèi)小外大
即容器內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小,與容器外形成較大的壓強(qiáng)差一般是容器內(nèi)的氣體極易溶于水或容器內(nèi)氣體易與溶液中的溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)因此當(dāng)外部的水或溶液接觸容器內(nèi)氣體時,由于氣體大量溶解或與溶液中的溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使容器內(nèi)氣體迅速減少,從而使容器內(nèi)氣壓迅速降低,在這種壓強(qiáng)差的作用下外部液體迅速進(jìn)入容器,通過尖嘴導(dǎo)管噴出,形成噴泉根據(jù)噴泉形成的過程和原理,下表中的氣體與吸收劑作用就能形成噴泉
2壓強(qiáng)內(nèi)大外小
即容器內(nèi)壓強(qiáng)增大,與容器外形成較大的壓強(qiáng)差容器內(nèi)液體由于受熱揮發(fā)(如濃鹽酸、濃氨水、酒精等易揮發(fā)液體)或由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng),容器內(nèi)產(chǎn)生大量氣體,使容器內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大,促使容器內(nèi)液體迅速向外流動,從而形成噴泉如噴霧器、人造噴泉等就是利用這個原理形成的
三、噴泉實(shí)驗(yàn)成敗的三個關(guān)鍵
氣體在吸收劑中被吸收的既快又多
如上表中所列氣體與吸收劑作用,均能使容器內(nèi)氣體迅速被吸收并導(dǎo)致容器內(nèi)壓強(qiáng)減小,而引發(fā)噴泉或容器內(nèi)產(chǎn)生大量氣體又快又多,使容器內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大,而引發(fā)噴泉
2裝置氣密性要好
只有良好的氣密性,才能保持容器內(nèi)外已形成的較大的壓強(qiáng)差,促使液體快速流動,才能保證噴泉的形成裝置氣密性差,使容器內(nèi)外的壓強(qiáng)差減小,則不能形成噴泉
3燒瓶中氣體的純度大,濃度足夠高
為此收集氣體時,特別是極易溶于水的氣體,燒瓶必須干燥,用排空氣法收集前最好先干燥再收集,且氣體的量要充足,才能保證氣體的濃度大對某些在水中溶解度不大的氣體,也可用排飽和溶液法收集,(如Cl2、SO2、CO2等)但氣體無法干燥,由于氣體濃度大,吸收劑吸收的快,也可引發(fā)噴泉
四、噴泉實(shí)驗(yàn)典型例題解
噴泉實(shí)驗(yàn)原理與形成的考查
例 據(jù)圖回答下列問題
()圖為中學(xué)教學(xué)中所用的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置在燒瓶中充滿干燥氣體,膠頭滴管及燒杯中分別盛有液體,下列組合中不可能形成噴泉的是(填序號)
(2)某學(xué)生積極思考產(chǎn)生噴泉的其它辦法設(shè)計圖2所示的裝置在圖2的錐形瓶中,分別加入足量的下列物質(zhì),反應(yīng)后可能產(chǎn)生噴泉的是(填序號)
ACaCO3和稀2SO4
BN4CO3和稀Cl
CZn和稀Cl
在圖2錐形瓶外放一水槽,錐形瓶中加入酒精,水槽中加入冷水后,再加入足量的下列物質(zhì)結(jié)果也產(chǎn)生了噴泉,水槽中加入的物質(zhì)可以是
A濃2SO4 B食鹽 C硝酸銨 D硫酸銅
加入該物質(zhì)能產(chǎn)生噴泉的原因是
(3)比較圖和圖2的兩套裝置,從產(chǎn)生噴泉的原理分析,二者的不同點(diǎn)在于
解析 ()中Cl和N3極易容于水、CO2與NaO反應(yīng)均使燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小,燒瓶內(nèi)外形成較大的壓強(qiáng)差,故A、C、 D能形成噴泉,而B中Cl2在水中的溶解度不大不能使燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小,故Cl2和2O不能形成噴泉,故選B
(2)圖2錐形瓶中,N4CO3與稀Cl、Zn和稀Cl反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體,均可使錐形瓶內(nèi)壓強(qiáng)增大,可形成噴泉,而CaCO3和稀2SO4產(chǎn)生的CO2有限,最終反應(yīng)停止,不能使錐形瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速增大,故不能形成噴泉故選B、C
瓶外水槽中的冷水中,加入食鹽和CuSO4均不能使冷水的溫度有所變化,加入N4NO3使冷水溫度更低,也不能促使酒精揮發(fā),而加入濃2SO4時,因溶解放出大量的熱,使乙酸揮發(fā),瓶中壓強(qiáng)增大,而形成噴泉,故選A
(3)和2形成噴泉的不同處是中壓強(qiáng)內(nèi)小外大,2中是壓強(qiáng)內(nèi)大外小
2氣體的制取與噴泉實(shí)驗(yàn)操作的的聯(lián)合考查
例2 制取氨氣并完成噴泉實(shí)驗(yàn)(圖中夾持裝置均已略去)
()寫出實(shí)驗(yàn)制取氨氣的化學(xué)方程式:
(2)收集氨氣應(yīng)使用法,要得到干燥的氨氣可選用做干燥劑
(3)如圖3裝置進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)上部燒瓶已裝滿干燥氨氣引發(fā)水噴發(fā)的操作是該實(shí)驗(yàn)的原理是
(4)如果只提供如圖4的裝置,說說所引發(fā)噴泉的方法:
()某學(xué)生試圖用圖3做噴泉實(shí)驗(yàn),結(jié)果失敗試分析實(shí)驗(yàn)失敗的原因
解析 近年來高考試題加強(qiáng)了對學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾楸绢}將氨水的制取、噴泉實(shí)驗(yàn)的操作及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析評價,能較好地考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和應(yīng)用知識能力
答案 ()2N4Cl+Ca(O)2CaCl2+2N3+22O
(2)向下排空氣法、 堿石灰
(3)打開止水夾、擠出膠頭滴管中的水、氨極易溶解于水、使燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速減小
(4)打開止水夾,用手(或熱毛巾)將燒瓶捂熱,氨氣受熱膨脹,趕出玻璃管內(nèi)的空氣,氨氣與水接觸,即發(fā)生噴泉()實(shí)驗(yàn)失敗的原因可能有①收集氨氣時空氣未排盡②裝置漏氣③燒瓶潮濕④滴入燒瓶里的水太少
3噴泉實(shí)驗(yàn)與物質(zhì)性質(zhì)聯(lián)袂考查
例3 A是一種白色晶體,它與濃NaO溶液共熱, 放出無色氣體B用圓底燒瓶收集干燥的B,按圖所示裝置儀器擠壓滴管的膠頭時,可得藍(lán)色噴泉;A與濃2SO4微熱,放出無色氣體C用圓底燒瓶收集干燥的C,仍按圖所示裝置實(shí)驗(yàn),
4噴泉實(shí)驗(yàn)與化學(xué)計算聯(lián)袂考查
例4 在標(biāo)準(zhǔn)情況下,在三個干燥的燒瓶內(nèi)分別裝有干燥純凈的N3、含一半空氣的Cl氣體、NO2和O2的混合氣體[V(NO2)∶V(O2)=4∶7]然后分別做噴泉實(shí)驗(yàn),三個燒瓶中所得溶液的物質(zhì)的量濃度之比為
A2∶∶2 B∶∶4 C∶∶ D無法確定
解析 N3、Cl溶于水后,溶液的體積即是溶解的氣體體積故c=
故選答案B
關(guān)鍵詞:噴泉實(shí)驗(yàn);活性炭;氣體
文章編號:1008-0546(2012)11-0097-01 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2012.11.042
現(xiàn)在房子的裝修大部分使用化工材料,裝修之后產(chǎn)生的有害氣體可能會影響到人們的健康,如:混凝土、防火板產(chǎn)生氨氣;人造板材家具、壁紙、地毯產(chǎn)生甲醛;油漆、合成纖維產(chǎn)生苯等。于是市場上有用于吸附這些有害氣體的活性炭出售,某品牌就是其中的品牌之一,該產(chǎn)品的說明書上:通過CTC>100%,比表面積:1500m2/g來反映其吸附能力強(qiáng),但是測定這兩個數(shù)據(jù)需要的實(shí)驗(yàn)儀器和知識貯備都較高,不符合高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求,于是我選用大家熟知的噴泉實(shí)驗(yàn)來定性分析這種活性炭的吸附能力。
一、實(shí)驗(yàn)原理
活性炭對乙醚蒸汽、氨氣、二氧化氮、甲醛、一氧化碳等氣體有較強(qiáng)的吸附作用。當(dāng)活性炭把圓底燒瓶中的氣體吸附之后燒瓶中的氣壓下降,外界的大氣壓將燒杯中的液體壓入燒瓶而出現(xiàn)噴泉,以噴泉出現(xiàn)的速度來判斷其吸附能力,因?yàn)榛钚蕴课侥芰υ綇?qiáng),噴泉出現(xiàn)的越快。
二、實(shí)驗(yàn)材料
某品牌活性炭、甲醛液體、氨水、四氯化碳、臺秤、鐵架臺、圓底燒瓶(500mL)、燒杯(100mL)
三、噴泉實(shí)驗(yàn)
(1)按圖1組裝實(shí)驗(yàn)儀器,向位于水浴中的干燥燒瓶中加入10mL氨水,用30℃的水浴對氨水加熱2min,使從烘箱中拿出來的250mL燒瓶迅速充滿氨氣,立刻投入0.1g活性炭,馬上塞緊帶有尖嘴玻璃管的橡皮塞(橡皮塞上的尖嘴玻璃管深入到燒瓶中的長度約為3cm,防止活性炭將其阻塞,乳膠管被止水夾夾緊),搖一下。按圖2組裝儀器,在燒杯中加入四氯化碳溶液至浸沒玻璃管下端。打開止水夾,燒瓶中出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象,四氯化碳液體很快充滿燒瓶。
(2)按照上述方法使圓底燒瓶中充滿甲醛氣體,裝置2燒杯中加水至浸沒玻璃管的下端,按照上面的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,出現(xiàn)噴泉,燒瓶中很快充滿水。
四、實(shí)驗(yàn)分析
關(guān)鍵詞: 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 化學(xué)理論 創(chuàng)新能力 發(fā)散思維 知識遷移
一、氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
必修教材中的噴泉實(shí)驗(yàn)是先收集滿滿一燒瓶干燥的氨氣,并且要求所用燒瓶必須干燥,一旦燒瓶濕潤,就要換一個干燥的燒瓶,否則實(shí)驗(yàn)就會不成功。改進(jìn)方法:采用的裝置與課本一致,但藥品使用不同。操作方法,向氣密性好的燒瓶中放入固體氫氧化鈉,然后迅速加入少量的濃氨水,蓋上塞子,固定好燒瓶,擠壓膠頭滴管中的水,立即出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象。這樣改進(jìn)后,做噴泉實(shí)驗(yàn)可以不用考慮燒瓶是否干燥,因?yàn)闈駶櫟臒?,同樣可以做噴泉?shí)驗(yàn)。而且可以不用事先收集一燒瓶的氨氣,做噴泉實(shí)驗(yàn)的氨氣可以即用即取,操作起來很方便。在對此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)過程中與學(xué)生一起展開探討:傳統(tǒng)的氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn),通常用固+固加熱的制氣裝置獲得氨氣,反應(yīng)原理即Ca(OH)■+2NH■Cl■CaCl■+2NH■+2H■O,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)是利用濃氨水+固體NaOH這一原理制得氨氣的,NaOH溶于水放熱,促使氨水分解,且OH■濃度的增大有利于NH■的生成。學(xué)生會思考:1.利用濃氨水+固體NaOH這一原理制得氨氣該用什么樣的制氣裝置?2.這樣制取氨氣利用什么化學(xué)反應(yīng)原理?3.打開橡皮管上的止水夾,擠壓膠頭滴管,為什么會形成噴泉?然后,我們進(jìn)一步引導(dǎo):如果去掉膠頭滴管打開止水夾,則可以用什么方法讓噴泉形成?學(xué)生經(jīng)過討論和分析,得出:用熱毛巾“捂熱”燒瓶,氨氣受熱膨脹,通過導(dǎo)管與水接觸,即產(chǎn)生噴泉,或用冰毛巾“冷敷”燒瓶,使水進(jìn)入瓶內(nèi),燒瓶內(nèi)氨氣溶于水。這樣的改進(jìn)探討甚至在高三總復(fù)習(xí)階段展開都十分具有意義,因?yàn)樯婕傲藝娙獙?shí)驗(yàn)的原理――利用溶解性形成燒瓶內(nèi)外壓力差,幾個常見的制氣裝置的應(yīng)用,還有氨氣的幾種實(shí)驗(yàn)室制法,甚至化學(xué)反應(yīng)原理如平衡移動的原理的復(fù)習(xí)。復(fù)習(xí)起來飽滿而有張力,從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理到化學(xué)反應(yīng)原理一氣呵成,不僅能提高學(xué)生知識遷移的能力,而且能幫助學(xué)生加深對化學(xué)理論的理解。
二、銅、鋅―稀硫酸原電池實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
銅、鋅―稀硫酸原電池實(shí)驗(yàn)中,理論上銅片上有氣泡,鋅片上沒有氣泡,但是實(shí)驗(yàn)中,由于鋅片的純度低,鋅片上形成大量微小原電池,因此鋅片上有大量氣泡,而銅片上幾乎看不見氣泡,雖然通過電流計可以檢測到電流,但是實(shí)驗(yàn)的直觀性大打折扣,影響實(shí)驗(yàn)效果。
根據(jù)原電池原理,銅、鋅在一定濃度的稀硫酸中形成的電勢差是一個定值,但是實(shí)驗(yàn)中銅片上氣泡少,說明通過溶液的電流低,也就說明溶液的導(dǎo)電性差。通過增加溶液的導(dǎo)電性提高溶液的電流,但如果增加硫酸的濃度,實(shí)驗(yàn)中隨著硫酸的濃度增大,溶液的導(dǎo)電性增強(qiáng),電流強(qiáng)度增大,銅片上氣泡逐漸增多,但是鋅片上此時氣泡增加得更多,鋅片上的氣泡擴(kuò)散到銅片上,影響銅片上氣泡的觀察。另外,如果減小銅片鋅片電極間的距離,就可以觀察到銅片上氣泡增加,但是此時鋅片與銅片距離較近,鋅片上的氣泡干擾銅片上氣泡的觀察。所以,我們做出以下改進(jìn):
往溶液中加入固體食鹽或者固體的硫酸鉀等。實(shí)驗(yàn)中,隨著食鹽濃度的增加,銅片上的氣泡逐漸增多,此時測定電流發(fā)現(xiàn)電流逐漸增大。通過硫酸溶液中加入氯化鈉,極大地提高了實(shí)驗(yàn)的直觀性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在銅、鋅―稀硫酸原電池中實(shí)驗(yàn)中加入氯化鈉固體或者固體的硫酸鉀等,現(xiàn)象更明顯直觀。學(xué)生在反復(fù)探討改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)的過程中,同時也解決許多疑問:1.為什么觀察到鋅片上有大量氣泡,而銅片上幾乎看不見氣泡?2.為什么制取氫氣時用稀硫酸與粗鋅反應(yīng)比與純鋅反應(yīng)快?3.為什么鋅片與銅片距離靠較近時,氣泡會明顯增多?為什么往溶液中加入固體食鹽或者固體的硫酸鉀,現(xiàn)象更加明顯直觀?通過探討,學(xué)生會問,會思,會悟,更有一種撥云見日、豁然開朗的感覺。整個過程中不僅促進(jìn)了學(xué)生注意力的集中,而且激發(fā)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)進(jìn)行探索式的分析,培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,使學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)得到了一定的提高。
三、濃硫酸的“黑面包”實(shí)驗(yàn)
傳統(tǒng)的濃硫酸的“黑面包”實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的:在個大號的實(shí)驗(yàn)杯中加些蔗糖(已研磨細(xì)),不要加太多,適量就好。之后將一個玻璃棒豎著放在糖的中間的位置。再緩緩倒入濃硫酸(98%),倒的時候一定要小心,要沿著杯沿倒,讓硫酸沿著杯壁緩緩流下。還有玻璃棒一直要豎著,這樣黑面包做好了也容易取出。加的硫酸不要太多,加多了沒用,加少了不行??粗崽潜砻娑伎彀l(fā)黑了就差不多了。這樣做的不足之處是:實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中的SO■很不利于師生的身體健康,也不符合化學(xué)教育中環(huán)境保護(hù)的初衷,并且本實(shí)驗(yàn)只讓學(xué)生觀察到濃硫酸使蔗糖炭化,并且膨松成“黑面包”,而未讓學(xué)生明白氣體的成分。我們引導(dǎo)學(xué)生展開探討:1.推測產(chǎn)物成分并如何驗(yàn)證產(chǎn)物成分?2.如何處理有毒氣體?3.如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證產(chǎn)物成分及處理有毒氣體?現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)如下。實(shí)驗(yàn)步驟:①將裝置連接好,檢查氣密性。②在圓底燒瓶中放入已研細(xì)的蔗糖約10g滴人1至2mL水,然后將其余藥品按下圖裝置裝入瓶中。③將分液漏斗中的濃硫酸逐滴加入圓底燒瓶。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:可觀察到圓底燒瓶中的蔗糖由白一黃一棕黃一黑,最后炭化,并且膨松上脹成疏松多孔狀黑色物質(zhì),像“黑面包”一樣。同時可看到品紅溶液逐漸變?yōu)闊o色,可證明有SO■生成。酸性高錳酸鉀溶液顏色由深到淺,可證明已將剩余SO■除去。品紅溶液無變化,可證明SO■已除盡。澄清石灰水變渾濁可證明有CO■生成。實(shí)驗(yàn)特點(diǎn):1.現(xiàn)象明顯,可見度大。圓底燒瓶中可明顯觀察到蔗糖炭化的一系列過程,還可觀察到品紅溶液的褪色和澄清石灰水變渾濁等現(xiàn)象。2.實(shí)驗(yàn)連續(xù),綜合性強(qiáng)。充分展示濃硫酸的吸水性、脫水性和強(qiáng)氧化性,以及SO■的漂白性、還原性等。3.節(jié)約用品,操作方便。實(shí)驗(yàn)中將濃硫酸改用滴加方式既安全又能控制用量。4.防止污染,保護(hù)環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)中的SO■被吸收處理,有利于環(huán)境保護(hù),并能對學(xué)生進(jìn)行環(huán)保教育??傊?,展開這樣的改進(jìn)探討有許多好處,可以挖出許多內(nèi)容。在參與的過程中學(xué)生能詳細(xì)掌握濃硫酸和二氧化硫的性質(zhì)并學(xué)會運(yùn)用,然后思考:1.酸性高錳酸鉀溶液顏色由深到淺但并未完全褪去,為什么高錳酸鉀要過量?2.為什么用澄清石灰水變證明有CO■之前必須除盡SO■?怎樣證明SO■是否完全除盡?3.如何區(qū)別CO■和SO■氣體?這樣做,學(xué)生學(xué)會了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙Υ瘜W(xué)實(shí)驗(yàn),提高了邏輯思維能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力。
“聽過的很快會忘記,看過的有一些印象,做過的才能理解、掌握?!边@句話說明,學(xué)生只有親自操作,經(jīng)歷了探索知識的過程,對知識的理解才能深刻。這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探討為學(xué)生提供了主動參與、交流合作的機(jī)會,不僅學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力、操作能力、觀察能力、結(jié)果分析能力有了較大的提高,而且大大提高了化學(xué)理論教學(xué)的成效?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)的靈魂和支柱,也是提高人才科學(xué)素質(zhì),特別是創(chuàng)新思維能力的重要載體。充分利用實(shí)驗(yàn),適時引導(dǎo)學(xué)生探討實(shí)驗(yàn)改進(jìn),可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的創(chuàng)新思維素質(zhì)。這也是新課程改革的目標(biāo)之一。同時也能更好地服務(wù)于教師的課堂教學(xué),更科學(xué)地用好教材實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能與價值發(fā)揮到最大,也有利于激發(fā)教師的教研興趣,形成學(xué)習(xí)與創(chuàng)新型的教師隊伍,提高教師隊伍的綜合素養(yǎng)。
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關(guān)鍵詞:綠色化學(xué);微型儀器;氨氣;二氧化硫
文章編號:1008-0546(2016)04-0094-03 中圖分類號:G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.036
綠色化學(xué)是近年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)等。綠色化學(xué)的目標(biāo)在于不再使用有毒、有害的物質(zhì),不再產(chǎn)生廢物,不再處理廢物,最終實(shí)現(xiàn)零排放和零污染,是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)。世界各國都十分重視綠色化學(xué)的教育和發(fā)展,綠色化學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代化學(xué)教育的主要發(fā)展方向[1-2]。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科知識的重要途徑,是學(xué)生可以通過感官直接感知的實(shí)踐過程,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,能進(jìn)一步領(lǐng)悟綠色化學(xué)的宗旨,并逐步培養(yǎng)綠色化學(xué)的意識。但是中學(xué)化學(xué)教科書對化學(xué)藥品用量沒有明確規(guī)定,有的表述比較模糊。在做分組實(shí)驗(yàn)時,有相當(dāng)一部分學(xué)生取用藥品喜歡“多多益善”,不僅浪費(fèi)了藥品,而且由化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等也會對周圍環(huán)境造成不同程度的污染。如:在做Cl2制備與性質(zhì)、鹵素的性質(zhì)、Cu和濃H2SO4反應(yīng)等學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時,往往會有有毒氣體進(jìn)入空氣中,不僅污染空氣,而且直接影響師生健康。因此,在中學(xué)實(shí)施綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教育,無論從中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng),還是從生活環(huán)境的責(zé)任感與綠色化學(xué)理念的形成等方面,都是十分必要的。
高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化、微型化[3-6]就是在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心理念為指導(dǎo),對常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不合理、安全性能低、污染嚴(yán)重等方面加以改進(jìn),達(dá)到綠色化學(xué)的減量、回收、重復(fù)使用、盡可能密閉可控、處理尾氣諸方面的要求,實(shí)現(xiàn)“盡可能小劑量、省資源、少污染、低成本” 的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生良好的化學(xué)素養(yǎng),以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的研究,涉及到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、實(shí)驗(yàn)儀器的研制、化學(xué)反應(yīng)過程、實(shí)驗(yàn)裝置和步驟的設(shè)計等實(shí)驗(yàn)方面的研究。如何在實(shí)際教學(xué)中,結(jié)合當(dāng)前素質(zhì)教育,把綠色化學(xué)綠色新概念、新思想、新要求教育貫穿于中學(xué)化學(xué)教學(xué)的全過程之中,是一個新的研究課題。作為中學(xué)化學(xué)老師,能夠就地取材,因繁就簡,開發(fā)和創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)[7],對中學(xué)生是最好的鼓勵和引領(lǐng)。
一、現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足之處
中學(xué)化學(xué)教學(xué)中,有很多性質(zhì)實(shí)驗(yàn),用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)效果并不明顯且缺乏綠色化學(xué)意識,例如:人教版《必修1》將氨氣性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)分成氨氣與水的噴泉實(shí)驗(yàn)、氨氣與酸的玻璃棒實(shí)驗(yàn)兩個部分來進(jìn)行的。但在實(shí)際操作中存在以下不足:
①噴泉實(shí)驗(yàn)所用的氨氣采用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室制法,若現(xiàn)場收集,則耗時長,且氨氣易泄漏而造成污染;若課前制好備用,則常因保存不善導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。
②NH3與濃鹽酸的玻璃棒實(shí)驗(yàn),若為教師演示,則白煙過淡,且保留時間不長,不便于學(xué)生觀察;若為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),又會因?yàn)椴皇窃诿荛]條件下進(jìn)行,眾多學(xué)生同時實(shí)驗(yàn),容易造成室內(nèi)空氣被污染,不利于健康。
③學(xué)生對看到的是“煙”還是“霧”存在疑問。
④容易受到風(fēng)等因素的干擾,影響實(shí)驗(yàn)效果。
又如:二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在高中化學(xué)人教版《必修1》第四章第三節(jié),是高中化學(xué)課程中非常重要的實(shí)驗(yàn),內(nèi)容多,難記憶。如果學(xué)生沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的親身體會,對這些實(shí)驗(yàn)的印象都不深,學(xué)習(xí)也比較困難。但是該實(shí)驗(yàn)無論是老師演示還是讓學(xué)生自己動手做,儀器都比較復(fù)雜,藥品用量多,而且二氧化硫的氣味難聞,具有刺激性,對身體和環(huán)境都會造成不良影響。
二、基于主流化學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
基于“環(huán)保、高效”以及“綠色化學(xué)”“安全化學(xué)”等理念,本文針對上述實(shí)驗(yàn)中存在的不足,進(jìn)行了如下改進(jìn):
1. 基于“環(huán)保、高效”理念的氨氣性質(zhì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)
將NH3的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一次性完成、成功率高且不污染環(huán)境、實(shí)驗(yàn)器材廉價易得,不易破碎、便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)等是本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目的。
(1)實(shí)驗(yàn)用品
①器材:圓底燒瓶(250mL)或塑料洗手液瓶(250mL),分液漏斗( 50mL),三個透明軟塑料瓶(如礦泉水瓶,250mL,需干燥),玻璃導(dǎo)管,燒杯,止水夾,少量棉花等。
②藥品:氫氧化鈉固體(分析純),濃氨水,少量濃鹽酸,酚酞指示劑。
(2)實(shí)驗(yàn)裝置圖
(3)操作步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
①瓶A內(nèi)放少量NaOH固體,分液漏斗中裝濃氨水;
②瓶B、瓶C均為滴有酚酞的水;
③瓶D放置一團(tuán)滴有濃鹽酸的棉花。
組裝連接好裝置后,打開止水夾K1、K3,關(guān)閉K2,旋開分液漏斗活塞,制取氨氣;當(dāng)看到D中出現(xiàn)大量白煙,C中溶液顏色很紅且產(chǎn)生氣泡緩慢后,關(guān)閉K1、K3,打開K2,擠壓瓶B,將水?dāng)D入燒瓶內(nèi)后松手。即可看到燒瓶內(nèi)形成美麗的噴泉,同時瓶B變扁。
通過這樣的改進(jìn)后,我們能看到,噴泉實(shí)驗(yàn)中,水幾乎充滿整個燒瓶,瓶B被壓扁,讓學(xué)生很容易看到壓強(qiáng)在此實(shí)驗(yàn)中的作用;瓶D的瓶壁上有大量的白色固體物附著,讓學(xué)生對白煙有了直觀的認(rèn)識。
(4)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計亮點(diǎn)
①有理有據(jù):噴泉實(shí)驗(yàn)的原理是利用內(nèi)外壓強(qiáng)差所形成的,而礦泉水瓶受壓很容易變形,會看到很明顯的現(xiàn)象,于是我們用廢棄的礦泉水瓶組裝了實(shí)驗(yàn)裝置。
②取材方便:充分利用廢棄的礦泉水瓶,材料易得且不易破碎的特點(diǎn),體現(xiàn)廢物利用,靈活處理問題的思想。
③敢于創(chuàng)新:礦泉水瓶蓋容易打孔,且可用粘膠粘住縫隙,實(shí)驗(yàn)過程中,只要旋緊瓶蓋氣密性就會很好,避免不易在橡膠塞上打孔,且易漏氣等常見問題。
④重視環(huán)保:整個實(shí)驗(yàn)在密閉條件下進(jìn)行,避免了NH3、HCl向室內(nèi)擴(kuò)散,有較高的安全性,充分體現(xiàn)“綠色化學(xué)”。
⑤拆裝方便:關(guān)鍵部分的連接使用膠管、止水夾,拆裝方便,導(dǎo)管不易折斷;且礦泉水瓶的蓋子規(guī)格幾乎都是統(tǒng)一的,便于更換。
⑥操作簡單:無論是教師做還是學(xué)生來完成,都很容易操作,且成功率高。
⑦直觀性強(qiáng):無論是燒瓶內(nèi)形成的噴泉,瓶B的變扁,還是瓶D中的大量白煙,抑或是燒杯中的溶液變紅,現(xiàn)象均十分明顯,使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察對氨氣的性質(zhì)有較強(qiáng)的感性認(rèn)識;特別是壓扁的礦泉水瓶能讓學(xué)生深切感受到大氣壓的存在和氨氣的極好的水溶性。
⑧安全性高:實(shí)驗(yàn)的主要材料為礦泉水瓶,即使實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤操作,也不用擔(dān)心出現(xiàn)炸裂,濺傷人。
⑨高效性:整個實(shí)驗(yàn)耗時約2分鐘,為噴泉實(shí)驗(yàn)的分析和拓展延伸騰出了更多的時間。
我們對氨氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后,無論是教師做還是學(xué)生來完成,都很容易操作,且成功率高充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性,初步落實(shí)了“用實(shí)驗(yàn)讓化學(xué)課堂成為學(xué)生快樂的體驗(yàn)場”。
2. 基于“綠色化學(xué)、安全化學(xué)”理念的SO2制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
在對二氧化硫的制取及性質(zhì)實(shí)驗(yàn),我們采用微型實(shí)驗(yàn)儀器來完成這一系列實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。
(1)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn):用6孔井穴板代替了6個反應(yīng)器,塑料滴管代替了分液漏斗。
(2)實(shí)驗(yàn)操作步驟:
①先檢查氣密性。在后5個井穴中裝入少量水,蓋好長進(jìn)短出的導(dǎo)管塞,在第1個井穴的長導(dǎo)管上插入塑料滴管,擠壓滴管,各井穴中均有氣泡冒出,說明氣密性良好。然后把水倒掉。
②滴管裝濃硫酸,6個井穴分別按照表1加入所需藥品。6個井穴在整個實(shí)驗(yàn)中的作用如表1描述。
③蓋好長進(jìn)短出的塞子,吸1/5滴管的濃硫酸,插入第1個井穴的長導(dǎo)管上,輕輕擠壓滴管,反應(yīng)發(fā)生了。我們可以很快看到石蕊變紅,品紅和高錳酸鉀褪色,硫化鈉溶液中有黃色的渾濁,一次性驗(yàn)證了二氧化硫的幾種性質(zhì)。
3. 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)
①使用了微型實(shí)驗(yàn)儀器,藥品用量很小,從源頭上防止了化學(xué)實(shí)驗(yàn)造成的污染,所以二氧化硫幾乎沒有造成污染,真正達(dá)到綠色、環(huán)保、健康。
②微型實(shí)驗(yàn)儀器成本低,體積小,操作方便,一次性把SO2的制取、酸性、漂白性、還原性、氧化性全部檢驗(yàn)完,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,操作簡單。
③按每小組幾人一套,甚至可以一人一套,可以實(shí)現(xiàn)“人人動手,邊講邊實(shí)驗(yàn)”的理想化教學(xué)模式,可以使學(xué)生對化學(xué)的探究更有興趣。
我們對二氧化硫的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后,從源頭上解決了污染的問題,不用到實(shí)驗(yàn)室這樣有通風(fēng)設(shè)備的地方,就在課堂上就可以實(shí)現(xiàn),操作簡單,成功率高,充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性,可以讓學(xué)生對以前只能在習(xí)題或者課本上看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有了直觀的認(rèn)識,印象深刻。
三、總結(jié)
中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)將理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要手段,實(shí)驗(yàn)易操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計的合理性及嚴(yán)密性、實(shí)驗(yàn)的環(huán)保理念等對中學(xué)生正確理解和掌握知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和科研素養(yǎng)、掌握實(shí)驗(yàn)操作、拓展思維模式等有著極其重要的作用?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化創(chuàng)新和改進(jìn),可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和主動性,培養(yǎng)其對化學(xué)的興趣,并加深對知識的理解和記憶,可以為提高課堂教學(xué)高效性提供策略和典型范例,這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn),能夠輕松實(shí)現(xiàn)綠色化教學(xué),讓學(xué)生順理成章接受綠色化學(xué)理念,使學(xué)生認(rèn)識到,化學(xué)絕不意味著污染,更高層次的化學(xué)、對環(huán)境友好的綠色化學(xué)等待我們?nèi)W(xué)習(xí)、去探究、去發(fā)展。
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