论改进实验是对教材的延伸和拓展——以《二氧化氮的制备及相关性质》改进实验为例

◆尚磊

(鞍山市海城高中)

一、问题的提出

旧人教版中二氧化氮的制备装置的缺点：装置气密性是重要挑战的问题，一旦泄露，对实验教师和学生身体都有一定的伤害；固液分离困难，反应不易控制；空气干扰，一氧化氮干扰；排空气收集不彻底。

新课标人教版化学必修一教材中则删除了二氧化氮的制备实验，但提出了二氧化氮和水反应的科学探究，但对二氧化氮的制备及相关实验装置并未给出，学生只能在教师的语言描述中进行宏观了解，缺少亲手实验的直观体验，导致探究实验徒有形式，可操作性极差，同时氮及其化合物的性质在非金属元素化合物中占有重要地位，关于金属与浓、稀硝酸反应的考察也备受高考的偏爱。然而由于氮氧化物有毒，影响人体健康，因此，本次改进实验遵循了绿色化学理念，联系生活实际，改进了实验方法，实验现象明显，且无毒无害。

绿色化学又称环境友好化学或清洁化学，是从源头上防止污染产生或把化学过程对环境的负面影响降到最低程度的化学。绿色化学要求原料和产品无害，在化学过程中不产生“三废”或使“三废”降低到最低程度。

化学实验绿色化的途径：

(1)开发绿色实验；

(2)防止实验过程中尾气、废物等对环境的污染，实验中有危害性气体产生时要加强尾气吸收，对实验产物尽可能再利用；

(3)在保证实验效果的前提下，尽量减少实验试剂的用量，使实验小型化、微型化；

(4)对于危险或反应条件苛刻，污染严重或仪器、试剂价格昂贵的实验，可采用计算机模拟化学实验或观看实验录像等办法；

(5)妥善处置实验产生的废物，防止污染环境。

二、实验目的

1.通过微型化实验制取微量二氧化氮，试验其性质

(1)观察Cu 与浓HNO3反应现象；

(2)观察NO2气体的颜色；

(3)观察NO2与H2O的反应现象；

(4)观察产物NO与O2的反应现象；

(5)观察NO2、O2、H2O反应生成HNO3的现象；

(6)观察生成的HNO3遇石蕊的颜色变化。

2.体验实验微型化与规范化的关系

3.培养进行化学实验改进和创新设计的意识

三、实验的改进

1.改进方法

本实验利用医用点滴袋和点滴瓶之间形成的一个相对密闭的小气室，使少量二氧化氮在密闭空间扩散，现象明显，并防止泄露。具体操作如下：在医用点滴袋中演示铜与浓硝酸反应产生二氧化氮和硝酸铜的实验，同时观察二氧化氮气体的颜色；在点滴瓶中演示二氧化氮与水的反应，一氧化氮与氧气的反应，继而得出二氧化氮、氧气和水反应，最后所得溶液能使石蕊试液变红

2.实验仪器与药品

仪器：点滴袋、点滴瓶、注射器(2支)、输液器(3支)、烧杯

药品：浓硝酸、铜丝、石蕊试液

3.改进后实验操作和现象

(1)将铜丝插入点滴袋

(2)用注射器量取10mL浓硝酸，注入点滴袋，使铜丝与浓硝酸充分接触，观察到铜丝与浓硝酸剧烈反应，溶液变为绿色，产生红棕色气体二氧化氮。即：Cu +4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

(3)当气体充满点滴袋，抽出铜丝，反应停止

(4)用导管连接点滴袋和装满水的点滴瓶

(5)打开止水夹，迅速挤压点滴袋，将气体排入点滴瓶，观察到瓶中液面迅速下降，气体颜色变浅。关闭止水夹，拆除瓶上装置，振荡，气体变为无色，瓶身略有凹陷，说明二氧化氮与水反应生成无色气体，且气体体积变小，即：3NO2+H2O=2HNO3+NO。

(6)向瓶中注入一定量的空气，无色气体迅速变为红棕色，说明一氧化氮遇氧气生成二氧化氮气体，重复操作。即：2NO+O2=2NO2。

(7)取一定量石蕊试液，注入点滴瓶，溶液变红，说明二氧化氮与水反应生成硝酸。即：4NO2+O2+2H2O=4HNO3或4NO+3O2+2H2O=4HNO3。

四、改进后的优点

1.取材方便，应用广泛

实验器材来源于废旧的医疗用品(使用前要彻底消毒)，现在医院使用的注射液点滴袋、点滴瓶和输液器均由一些高结晶度塑料如PP(主要成分是聚丙烯)，PVC(主要成分是聚氯乙烯)等组成，其体积小，重量轻，质软(易变性)，韧性好，耐强酸强碱，透明度高，最重要的是密封性好，是进行有毒气体的制备和性质实验的绝佳容器。可推广至铜与稀HNO3反应生成一氧化氮或氯酸钾与浓盐酸反应生成氯气的实验。

2.仪器简单、操作方便(固液易分离，产生气体的量可控制)

3.耗时较短，现象明显

4.体系封闭，安全可靠，环境友好

五、注意事项

(1)点滴袋使用前要清洗并抽真空，防止空气干扰；点滴瓶清洗后要住满

(2)铜丝在插入点滴瓶前要将尖头卷起，防止插入后将点滴袋戳破，造成二氧化氮的泄露

(3)用注射器量取浓硝酸时不能将金属针头直接伸入浓硝酸，防止污染试剂

(4)向点滴袋中注入浓硝酸时，要由铜丝插入处注酸，且防止漏酸，以防在袋外发生反应，产生有毒气体，污染环境

(5)实验结束后，向点滴袋中注入一定量的水，对溶液进行稀释，在排风处将点滴袋剪开，排放可能剩余的有毒气体。含硝酸铜的溶液要加入硫化钠处理后再排入下水道，以防重金属污染水源和土壤

六、反思与评价

改进实验的目的是在教材实验基础上进行的延伸和拓展，因为教材的编写往往会滞后于实验仪器和科学技术的发展，而实验的基本操作方法也会随着仪器的发展而改变。这就要求教师在实验教学过程中，与时俱进，能够针对教学内容，并结合学生认知水平，进行类似于科学探究的学习和尝试，进而激发学生实验探究的积极性；在问题的解决过程中，实现串联实验内容，梳理知识体系，并培养学生独立科研能力，人际沟通能力，并且使学生有乐于服务的人生观；满足学生多元学习的需求，有效的解决了部分教材实验老旧繁，现象不明、原理不清的问题，形成完善的学科知识体系，特别是数字化、微型化实验的介入改变了教与学的形态，促进了结构化的学科知识、技能体系的形成、有效的培养了学生的学科核心素养。