例谈中学化学教材实验的微量化设计

姚亮发 林师龙 郑柳萍 张贤金

摘要： 对中学化学教材实验进行微量化设计，有利于培养学生的环保意识、节约意识和创新意识。从微量化、一体化角度对“铜与浓硝酸反应”“硫在氧气中燃烧”“铵态氮肥与碱共热生成氨气”等三个产生有害气体的实验进行改进，减少了反应物的用量，同时将敞口实验装置改成密闭式体系，有效防止有害气体对空气的污染，既节约实验药品，又体现环保理念。

关键词： 浓硝酸性质; 硫的燃烧; 铵态氮肥的检验; 微量实验; 一体化设计

文章编号： 10056629（2020）12006403

中图分类号： G6338

文献标识码： B

化学微量化实验是指实验试剂用量比常规实验试剂用量少，但仍使用常规仪器进行的化学实验，克服了微型化实验中实验仪器过小、实验现象可见度低的弊端[1，2]，具有污染少、时间短、操作简单、实验现象明显等优点。各版本中学化学教材中有部分实验装置是敞口体系，在操作中会产生有害气体。虽然很多学校的实验室都建有通风橱，但因其数量有限，无法满足多个班级同时教学，导致这类实验通常只能在普通教室中进行。试剂微量化实验可以使有害气体的产生量尽可能减少，且装置一体化能有效地处理尾气，从而防止实验过程中有害气体的污染。本文以三个实验为例探讨在实际教学中从环保、安全和节约的角度进行微量化、一体化的实验改进和创新，不仅可以节约实验药品，还可以培养学生的环保和安全意识。

1铜与浓硝酸反应

1.1问题背景

鲁科版高中教材《化学1》中“铜与浓硝酸反应”的实验装置是敞口设计的，在反应开始后，因铜片浸泡在浓硝酸中，控制反应停止的操作不太方便，使得反应生成的NO2难以被NaOH溶液完全吸收，从而造成空气污染。

1.2设计思路

有关铜与浓硝酸反应的改进已有报道[3]，笔者将反应装置和尾气处理装置有机整合，从减少反应物的量、防止生成的NO2逸散以及控制反应的发生和停止的角度对该实验进行研究改进，设计了更符合环保理念的实验装置。该装置能随时控制反应进行与停止，防止

多余NO2的产生，集微量化和一体化等优点，使装置更简约，实验现象更明显，减少了环境污染，既适合课堂演示，又可以让学生分组实验。

实验仪器与药品： 50mL容量的小广口瓶、3mL容量小塑料杯、浓硝酸、1%的NaOH溶液、粗铜丝（装置如图1所示）

1.3实验操作步骤及关键点

（1） 先在小广口瓶中加入4mL 1%的NaOH溶液，用滴管取1mL浓硝酸加入小塑料杯中，用镊子将小塑料杯小心放进装有NaOH溶液的小广口瓶中。

（2） 将带有粗铜丝（铜丝下端绕成1圈螺旋状，不要多绕，防止反应太剧烈）软胶塞塞紧小广口瓶，粗铜丝下端伸到小塑料杯口，先不要与浓硝酸接触。

（3） 往下推动粗铜丝，使粗铜丝下端浸入小塑料杯浓硝酸里，可观察到铜丝表面有气泡产生，红棕色气体从小塑料杯口向外扩散，小塑料杯中的浓硝酸变为绿色。

（4） 红棕色气体产生后，立即往上提粗铜丝，使粗铜丝与小塑料杯的浓硝酸脱离，反应立即停止进行。

（5） 静置，可观察到小广口瓶中红棕色气体逐渐变淡，一段时间后红棕色气体全部消失。

1.4装置创新点

该装置采用微量化、一体化设计[4]，反应和尾气处理都在密闭容器中进行，有效防止NO2气体的逸散，减少空气污染;药品用量少，操作简便，实验现象明显，可随时控制反应的发生和停止;因反应生成的NO2气体会较快被小广口瓶中的NaOH溶液吸收，不用再设计气球收集尾气等装置。

2硫在氧气中燃烧

2.1问题背景

人教版九年级教材《化学（上册）》中“氧气性质”实验23“硫在氧气中燃烧”的实验操作是： 用燃烧匙装少量硫粉，先在空气中点燃硫粉，硫粉燃烧后，将燃烧匙伸入集满氧气的集气瓶中，仔细观察实验产生的现象。在课堂上演示该实验时虽然已在集气瓶中装少量水，但由于该實验是敞口进行的，导致实验产生的SO2逸散到教室中，对空气造成了污染。SO2是空气中有害气体之一，故该敞口设计不符合环保理念。学生对硫在氧气中燃烧的实验特别感兴趣，按照教材设计的实验只适合于教师演示实验，不适合用于学生分组实验。

2.2设计思路

虽然已有不少同仁对硫在氧气中燃烧实验进行改进，但笔者从反应物的用量和防止SO2逸散的角度对该实验进行改进，采用微量化和一体化思路设计实验装置，能有效防止实验过程中SO2逸散到空气中造成污染，体现环保理念。该装置既适合教师演示实验，也满足学生分组实验的要求。

实验仪器与药品： 矿泉水瓶（500mL）、集气瓶（125mL）、培养皿（30mL）、用酒精喷灯加工成简易小燃烧匙的玻璃棒、硫粉、1%的NaOH溶液（装置如图2所示）

2.3实验操作步骤及关键点

（1） 取1个500mL的矿泉水瓶，从底部五分之一处切开，留上部分。

（2） 用排水法收集1瓶氧气，瓶底预留少量水，将集气瓶放在培养皿上，在培养皿中慢慢倒入10mL左右1%的NaOH稀溶液，注意不要让溶液溅出来。

（3） 先用酒精喷灯将玻璃棒一端加工成简易小燃烧匙，在加工成的简易小燃烧匙中放入约0.2g硫粉，用酒精灯点燃燃烧匙中的硫粉，待硫粉燃烧后，将带有软胶塞的玻璃棒伸入矿泉水瓶并塞紧瓶口，移走集气瓶玻璃片，将玻璃棒伸入集气瓶中，使带有玻璃棒的无底矿泉水瓶套在集气瓶外（见图2）。

（4） 观察到硫粉剧烈燃烧起来，产生明亮的蓝紫色火焰，因整个反应在一个密闭的体系中进行，且采用微量化设计，生成的SO2被NaOH稀溶液吸收，不会逸散到矿泉水瓶外，避免对空气造成污染，体现了环保理念。

2.4装置创新点

该微量化实验将常规燃烧匙改成玻璃棒加工制成的简易、透明的燃烧匙，只需消耗0.2g左右的硫粉。用500mL规格的无底矿泉水瓶套在集气瓶外，且培养皿中的NaOH稀溶液又起到液封作用，使整个反应处在一个密闭的体系中，能有效防止实验过程中SO2逸散到空气中，避免了对环境的污染，培养了学生的环保意识。

3铵态氮肥与碱共热生成氨气

3.1问题背景

沪教版九年级教材《化学（上册）》中“铵态氮肥与碱共热生成氨气”的实验是这样设计的： 用酒精灯加热（NH4）2SO4固体和NaOH溶液的混合物，用红色石蕊试纸检验氨气的生成。但因其是敞口设计，导致在实验过程中生成强刺激性气味的氨气逸散到空气中造成污染，坐在前排的学生感受特别明显。

3.2设计思路

从减少氨气生成的量和防止氨气逸散的角度设计实验，采用微量化和一体化设计思路，使改进后的实验装置符合环保理念，有效防止了氨气的逸散和污染。改进后的装置既适合于教师演示实验，又可满足学生进行分组实验的需要，培养学生的环保意识。

實验仪器与药品： 铁架台、双联试管（18mm×160mm）、注射器（1mL）、酒精灯、红色石蕊试纸、棉花、5%的NaOH溶液、（NH4）2SO4固体（装置如图3所示）

3.3实验操作步骤及关键点

（1） 用药匙小头的一端取0.2g左右的（NH4）2SO4固体装入双联试管中，将其竖直固定在铁架台上。用1mL的注射器吸取0.25mL 5%的NaOH溶液。

（2） 在装有（NH4）2SO4固体的试管壁的中上部并排粘贴两张用水润湿的红色石蕊试纸（以刚好润湿为宜，防止水太多造成试纸下滑），将带注射器的软胶塞塞紧试管，在另一边的空试管口放一团用水浸润过的棉花团。

（3） 轻推注射器，使注射器中的NaOH溶液滴入试管中，点燃酒精灯，先对装有（NH4）2SO4固体的试管进行预热，然后再加热。

（4） 当观察到试管底部有气泡产生，试管壁上润湿的红色石蕊试纸变蓝色后及时移走酒精灯。说明（NH4）2SO4固体与NaOH溶液混合共热后放出氨气，从另一端试管中逸出的多余氨气被试管口湿润棉花团的水吸收，避免了对环境的污染。

3.4装置创新点

该装置采用微量化环保型设计，操作简便，现象明显，能有效防止氨气的逸散，减少空气污染，实用性强，既适合课堂演示也可以用作学生分组实验。

综上所述，以上3个中学化学教材实验的微量化环保型改进案例，操作简单、现象明显，不仅可以节约化学药品，还能有效减少污染物的产生，可作为常规化学实验的补充，有利于培养学生的节约意识、环保意识、安全意识和创新意识。

参考文献：

[1]张凤琼. 初中化学微量化实验的研究[J]. 化学教学2010， （6）： 54～56.

[2]李光珍. 五个高中化学实验的微量化改进[J]. 化学教学， 2014， （5）： 55～57.

[3]马东， 张贤金. 硝酸性质实验的一体化设计[J]. 化学教学， 2017， （7）： 60～63.

[4]姚亮发， 林师龙， 张贤金. 中学化学教材中敞口实验的一体化设计[J]. 化学教学， 2017， （10）： 52～54.