微型化学实验及其在中学教学中的应用
时间：2023-02-12 21:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
徐敏，柳傲雪，曾永明
（昌吉学院化学与应用化学系，新疆昌吉831100）
在微型化学教学改革的大潮中，微型化学实验的改革和发展已经成为人们十分重视的热门话题。二十世纪80年代美国化学家Mayo对微型化学实验的概念进行了界定，即用尽可能少的化学药品与试剂获取所需要的化学信息与原理的实验技术。在我国，关于微型化学实验的定义有以下几种：第一种认为微型化学实验是为了减少消耗和化学污染而发展起来的一种化学实验的新方法；
第二种定义是在微型化的仪器装置中进行的化学实验，其试剂用量比对应的常规实验节省90%以上，该概念是由我国周宁怀教授提出来的；
第三种认为微型化学实验是在专门设计的微型仪器中进行的化学实验，在不影响化学实验结果的基础上，用尽可能少的试剂来获取化学信息的实验方法与技术。根据概念一般从其本质属性和种类进行界定的原则，我们认为第三种概念相对来说比较准确。
微型化学实验遵循现代可持续发展理念，在实验过程中不仅试剂用量少，安全环保，而且可以使实验在较短时间内完成，保证了化学实验的次数，对于培养学生的实验素质和科学素养有着重要的作用。当前，微型化学实验还处在不断尝试和探索中，在日常教学中的应用还比较少，且中学化学实验教学被忽视的现象越来越严重，尤其是重化学理论而轻化学实验，重化学实验结果而轻化学实验过程的现象普遍存在。另外，微型化学实验不仅能提高学生实验技能，还能激发学生的学习兴趣，更好地帮助学生理解和掌握有关的化学知识，提高学生的科学素养和创新意识。因此微型化学实验的推广迫在眉睫。
高中微型化学实验就是把微型化学实验的理念应用于高中化学实验中，其优点是仪器微型化，药品用量少；
学生有较大的自主发挥空间，能促进学生自主学习，主动地发现问题、设计实验、观察实验。概括起来，微型化学实验设计应遵循科学性、安全性、可视化、简便化、可操作化、趣味性、探究性实验原则。
在中学化学实验教学中铜分别与浓硝酸和稀硝酸反应是中学化学经常使用的演示实验，其能让学生通过实验现象分析和得出实验结果认识化学物质的本质，理解不同浓度硝酸的氧化性，但是该反应会分别产生有害气体NO和NO，进而污染空气。目前，对该演示试验的微型化设计已经有大量的报道，但是均存在着一些不足，比如①实验装置的安全性差；
②实验反应速率难以控制；
③实验尾气随意排放，污染环境。
针对以上缺点，我们对铜分别与浓硝酸和稀硝酸反应的微型实验装置进行改进，有效地提高了学生的环境保护意识和动手能力，进一步加强了学生科学素质教育。
1.1 实验原理
1.2 微型实验设计思路
在经典的铜与硝酸反应中，会产生大量的有毒气体NO和NO，但是无色的NO气体不易观察，且它们均严重污染环境。我们设计串联反应装置，通过一次实验，就能够了解不同浓度硝酸的氧化性大小，且通过中和反应有效除去反应中产生的有毒气体。基于此，我们采用特制U型管作为反应装置，尝试使用医用注射器在反应中加入硝酸和氧气，简化实验装置，反应结束后，使用医用注射器向反应体系中注入氢氧化钠溶液，除去有毒尾气，且中和了反应废液稀硝酸，防止环境污染。上述U型管内发生如下反应：
1.3 微型实验装置设计（图1）
图1 微型实验装置设计
1.4 实验仪器和药品
实验仪器：特制U型管1支，注射器（带针头）2支，橡胶塞2个，烧杯。实验药品：等量的铜片2块，浓硝酸，稀硝酸，NaOH溶液。
1.5 实验步骤及现象
（1）首先检查装置气密性。
（2）将等量的铜片分别置于U型管底部和医用注射器中。
（3）排干净医用注射器内的空气，再吸取浓硝酸，快速将医用注射器针头插在输液管上，仔细观察铜片表面，会产生大量气泡，并且随着反应进行气泡会逐渐加快，红棕色NO气体很快充满U型管大端部分，同时医用注射器内溶液由无色变为蓝绿色硝酸铜溶液。这个反应现象是由于铜片与浓硝酸发生了反应，产生了大量的NO红棕色气体和蓝绿色硝酸铜溶液。小心用手摸医用注射器管壁，会发现烫手，说明该反应是放热反应。
（4）随着红棕色NO气体不断向U型管内水中溶解，观察到U型管大端液面向上缓慢升起，U型管大端红棕色NO气体变浅，这表明3当量的红棕色NO气体与水发生反应，生成了稀硝酸和1当量的无色NO气体，这不但使得U型管大端的压强变小，而且生成的无色NO气体稀释了U型管大端的红棕色NO气体。另外，U型管底部的铜片表面不断出现小气泡，无色液体逐渐变成蓝绿色溶液，且U型管小端液面缓慢下降，但U型管小端液面上部仍然保持无色，这表明红棕色NO气体与水反应生成的稀硝酸与铜反应，生成了无色的NO气体和蓝绿色硝酸铜溶液。相关反应式为：
（5）5 min后，U型管小端的无色NO气体浓度增大；
将另一支充满大部分空气的医用注射器插在橡皮塞上，拉动活塞吸气，仔细观察医用注射器内气体的颜色，发现其逐渐变为红棕色，这说明U形管小端的无色NO气体与空气中氧气反应生成了红棕色NO气体。
（6）第一支医用注射器内再吸入氢氧化钠溶液，发现注射器内有蓝色的沉淀物生成，这表明蓝绿色硝酸铜溶液与无色氢氧化钠溶液反应，生成了蓝色的氢氧化铜沉淀，反应式如下：
（7）实验完毕后，用注射器向上述U型管内注入无色氢氧化钠溶液，发现U型管内有蓝色沉淀物生成，表明稀硝酸首先和铜反应生成的蓝绿色硝酸铜溶液继续与无色氢氧化钠溶液反应，生成了蓝色的氢氧化铜沉淀。
1.6 微型实验设计反思与评价
上述微型化学实验比常规化学实验操作更加简单方便，反应时间缩短，反应过程中有害气体易控制，杜绝环境污染，趣味性强，实验现象明显，具有如下优点：
（1）该实验装置整体密封，将这一反应体系的有毒气体限制在实验装置内，处理有毒尾气方便、简单、安全，从而提高学生的环保意识。
（2）化学实验仪器操作简便、微型化，大大减少了化学实验试剂的量，从而节约化学实验药品。
（3）该实验装置使学生观察实验现象简洁而方便，学生更加容易理解实验原理，激发学生的兴趣，提高学生的主动思考意识。
（4）实验结束后，废弃液的处理方便，能够使用氢氧化钠充分吸收，防止环境污染。
（5）实验过程可靠性强，安全性高。
微型化学实验过程中始终贯穿绿色化学思想，有效实现“小剂量实验、节约资源、减少环境污染、降低实验成本”，是对中学化学中定量实验的改革与发展，在化学教学与应用中具有不可忽视的作用。积极倡导教师开展和推广微型化学实验，可以有效增强师生对环境的保护意识，不断提高学生的综合素质。微型化学实验简单易行、安全可靠、趣味性高、实验现象明显，极大地提高了学生参与实验的积极性，培养了学生的动手能力和实验技能；
实验快捷，验证简单，学生可以人人动手做实验，改变“一人做，多人看”的局面，便于学生的自主探究；
学生亲手体验科学研究，激发其学习化学的兴趣，强化其科学探究的意识，促进其学习方式的转变，培养其创新精神和实验能力。
