绿色化学理念下一体式实验装置的创新设计

何大明　庞春辉

【摘 要】本文基于绿色化学理念，以“浓硫酸与蔗糖反应与性质检验”和“氯气的制备与性质实验”为例，探讨一体式实验改进的策略，以更好地培养和发展学生思维能力和创新能力，提高教学效果。

【关键词】绿色化学 一体式实验 创新设计

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）07B-0043-02

化学是一门以实验为基础的自然科学。化学实验以其直观性、趣味性很好地激发学生的学习兴趣，培养学生观察能力和动手能力，有助于学生养成严谨认真的科学态度和加强对知识的理解和巩固，是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。在高中化学教学中，有些物质的制备与性质实验是分开进行的，存在浪费药品、耗时长、危险性高的情况，这较大地影响课堂教学效果和教学进度，不利于学生开展探究性学习。因此，笔者基于绿色化学理念和优化实验教学的目的，以“浓硫酸与蔗糖反应与性质检验”和“氯气的制备与性质实验”为例，探讨一体式实验改进的策略，以提高教学效果。

一、浓硫酸与蔗糖反应实验

浓硫酸的脱水性是浓硫酸的三大特性之一，浓硫酸与蔗糖反应的实验是检验这一性质的经典实验。教材中实验（如图1所示）设计为：在 200 mL 的烧杯中放入 20 g 蔗糖，加入几滴水，搅拌均匀，然后再加入 15 mL 溶质的质量分数为 98% 的浓硫酸，迅速搅拌，观察实验现象。这是一个非常有趣的实验，课本上对现象的描述是这样：可以看到蔗糖逐渐变黑，体积膨胀，形成一种海绵状的炭。

该实验虽然方法簡单，现象明显，能很好地激发学生的学习兴趣，但存在以下问题：

1.反应在烧杯中进行，药品用量大；

2.装置是敞开式的，反应过程中生成大量有毒气体直接排放到空气中，污染教室环境，影响师生健康，不利于培养学生的环保意识，也不符合“绿色化学”的理念；

3.实验目的单一，只局限在浓硫酸脱水性的演示，而对于反应中生成气体不能进一步检验，缺乏拓展与探究。

出于这些原因，笔者采用密封装置，对该实验做了以下改进。形成一体式实验装置，如图 2 所示。

（一）实验仪器及药品

具支试管、导管、橡皮塞、试管、铁架台、单孔橡皮塞、玻璃棒、蔗糖、浓硫酸、品红溶液、高锰酸钾溶液、澄清石灰水、NaOH 溶液。

（二）实验操作及现象

1.连接好实验装置并检查装置的气密性，具支试管②③④⑤中分别加入品红溶液、酸性高锰酸钾、品红溶液、澄清石灰水；

2.称取 5.0 g 蔗糖，放入具支试管①中；

3.向蔗糖加入几滴蒸馏水，然后量取 4 mL 的浓硫酸缓慢加入装有蔗糖的具支试管中，并用玻璃棒搅拌，使混合均匀，然后迅速用橡胶塞塞好；

4.观察现象：具支试管①内的蔗糖先从白色变为褐色，再变为黑色。产生了“黑面包”，“黑面包”会膨胀很大，最后形成疏松多孔海绵状碳上升至具支试管口；具支试管②中品红溶液很快褪色说明生成的 SO2 具有漂白性；具支试管③酸性高锰酸钾溶液颜色变浅，说明 SO2 具有还原性，同时除去 SO2；具支试管④中的品红溶液不褪色，澄清石灰水变浑浊说明还有 CO2 生成。

（三）实验原理

由于蒸馏水与浓硫酸发生了强烈的水合作用，放出了大量的热量，使反应温度迅速上升，促使蔗糖脱水碳化游离出来的部分碳在高温下与浓硫酸发生氧化还原反应，释放出来的二氧化碳和二氧化硫气体使试管内黑色物质的体积迅速膨胀，产生了“黑面包”。化学方程式分别为：

C+2H2SO4CO2↑+2SO2↑+2H2O

2KMnO4+5SO2+2H2O=K2S04+2MnSO4+2H2SO4

CO2+Ca（OH）2=CaC03↓+H2O

（四）实验优点

1.将传统实验使用的大烧杯改为具支试管，减少了实验药品的用量，大幅减少有害气体的生成量；

2.实验中使用了具支试管，解决了双孔橡胶塞安装导管麻烦这一问题；

3.打破了传统实验的单一性，对反应产生的气体进行检验，从而让学生从一个实验中完全体验到了浓硫酸的三大特性，充分理解反应原理，印象深刻；

4.整个实验在封闭的体系中进行，并对尾气进行处理，避免污染环境，充分体现了绿色化学的新理念，强化了学生环境保护意识，在实际教学中具有推广的价值。

二、氯气的制备与性质实验

（一）实验改进原因

在人教版化学必修 1 课本中，关于氯气的漂白性、氧化性、还原性等性质的检验实验内容分散，需要多次重复使用氯气。这个实验虽然现象明显，但是实验过程中却存在以下问题：要另外搭建制取装置收集氯气；预先收集的氯气在课堂演示时会泄露而产生污染，影响课堂效果及师生身体健康；氯气用量大导致原料浪费。而且对于氯气性质如氧化性、还原性等知识没有很好地进行探究，但这一知识点却是高考的重点内容。因此，设计高效、简洁、环保、易操作、现象明显且能集氯气制备、性质检验的一体式实验装置显然很有意义。基于此，笔者设计了如下实验装置来完成这一系列实验（如图 3 所示）。

（二）实验仪器及药品

仪器：具支试管、导管、橡皮塞、硬质玻璃管、铁架台、注射器。

药品：浓盐酸、高锰酸钾溶液、饱和食盐水、无水氯化钙、有色布条、KI 淀粉试纸、氢氧化钠溶液、棉花。

（三）实验操作及现象

1.连接好实验装置并检查装置的气密性；

2.在具支管 Ⅰ 中加入少量的高锰酸钾固体，在管口插入吸有浓盐酸的注射器；

3.将适量浓盐酸滴入装有高锰酸钾固体的具支管 Ⅰ 中，立即有黄绿色的气体产生；endprint

4.在硬质玻璃管中，发现干的有色布条无明显现象，湿润的有色布条褪色，湿润的 KI 淀粉试纸变蓝，蘸有氢氧化钠溶液的棉花能够吸收多余的氯气，小气球防止氯气扩散到空气中污染环境。

（四）实验原理

氯气的制取：

2KMnO4+16HCl（浓）=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

蘸有食盐水、无水氯化钙的棉花：除去 HCl 气体及除水蒸气。

干的有色布条：不褪色说明 Cl2 没有漂白性。

湿的有色布条：褪色说明 Cl2 和 H2O 反应生成的 HClO 具有漂白性。

湿润的 KI 淀粉试纸：

2KI+Cl2=2KCl+I2 （I2遇到淀粉变蓝色）

蘸有 NaOH 溶液的棉花：

Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O

（五）实验优点

1.仪器方便易得，实验装置简易轻便，实验操作简单。现象明显且用時较短。避免了氯气用量大而造成浪费和空气污染，而且实验效果好，有利于环保，符合绿色化学理念。

2.将氯气的制取及性质实验一体化，有利于分组实验进行探究性学习，符合新课改理念。

3.在封闭的小空间内进行实验，体现了实验微型化、绿色化的思想。

4.对其它有毒气体（如 SO2、NO2）的制取及性质实验有较强的示范性，有利于培养学生创新意识。

就中学化学实验教学而言，要在教学活动中实施素质教育、培养学生的创造能力，应该在课程、教材、教法、研究等方方面面都做周密的思考，敢于对课堂内外的实验教学做大胆的改革和创新。化学实验教学应走素质教育之路，通过实验教学培养学生的创造力、动手能力，培养学生的科学思维、科学态度。开发适合课堂上进行的一体式实验装置，不仅可以激发学生学习化学的兴趣，调动学生学习的积极性、主动性和创造性，而且可以优化课堂教学，提高课堂教学质量。这对于新课改下全面实施素质教育，培养学生的创新精神和实践能力都具有非常重要的意义。

【参考文献】

[1]李再峰.绿色化学实验[M].武汉：华中科技大学出版社，2005

[2]王 春.化学新课程教学中实施绿色化学教育的策略探讨[J].化学教学，2009（7）

（责编 卢建龙）endprint