中学化学实验的微量化研究，本文主要内容关键词为：微量论文,化学实验论文,中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、提出课题
化学学科的重要特征之一就是以实验为基础。化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情景，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观[1]。
微量化实验的研究，是建立在早期提出的微型实验的基础上。微型化学实验(Microscale Laboratory)是在上世纪80年代，首先从美国发展起来的，当时主要局限于高校有机化学实验微型化。微型实验是指“以微小量的试剂在微型化的仪器装置中进行化学实验”。试剂的“微小量”是实际用量为常量化学实验中实际用量的十分之一甚至更少[2]。微型实验具有仪器微型化、试剂用量少的特点[3]。但是作为中学化学教师演示实验，微型化学实验中的仪器装置过小，则会影响到实验现象的观察，而无法达到演示实验的目的。微量化实验则改进了微型实验的弊端，以微小量的试剂在较常规的仪器装置中进行化学实验，依然能够得到明显的实验现象。这样的突破，在保证了用量少、污染少、省时间、易操作的同时，又能达到演示实验的教学目的。基于此功能和特征，在中学化学实验中研究和推广微量化实验是十分必要的。以下是笔者针对中学化学实验的几个典型例子进行的探索研究。
二、实验探究活动
例1 浓氨水和浓盐酸的化合反应
1.常规实验
全国的各版教材在“氨的性质”这节课中，都安排了浓氨水和浓盐酸这两个挥发性极强的物质的化合反应。实验都采取了微型实验的处理方式，取少量药品进行反应。
实验器材：两根玻璃棒。
药品：浓氨水、浓盐酸。
实验步骤：
①拿一根玻璃棒在浓氨水里蘸一下，另一根玻璃棒在浓盐酸里蘸一下。
②使两根玻璃棒接近（不要接触），观察到空气中产生白雾的现象[4]。
最近一版的人教社教材中，仅给出了氨与氯化氢反应现象的图片，已经不需要进行课堂实验[5]。
2.改进实验
对于这两种挥发性极强的试剂，可以改变原使用的仪器和试剂的用量，达到既保护环境，同时又增加了实验的观赏性效果。
实验器材：空矿泉水瓶、2根胶头滴管。
药品：无水乙醇、浓氨水、浓盐酸。
实验步骤：
①在空矿泉水瓶中倒入少量无水乙醇，盖好瓶盖，用力摇晃振荡瓶子数次。
②将瓶中乙醇倒掉，开盖放置20s，使酒精挥发掉。
③在瓶中滴入2滴浓氨水，在瓶盖滴入2滴浓盐酸，迅速将盖子盖起来。待浓盐酸滴下的瞬间，瓶中出现了大量的白雾。随着反应的进行，白雾充满整个瓶内，并且能看到一股股气流的涌动（如图1）。
图1
3.实验评价
汲取原实验的设计思想，在原有微量取试剂的基础上，对实验不足之处进行改进。用无水乙醇清洗瓶子，可以将瓶中的水汽除去，为浓氨水和浓盐酸提供良好、较封闭的反应环境。矿泉水瓶控制了试剂的反应空间，使实验现象的观察更明显，并且白雾具有一定的持久性，增加了演示实验的可观察度，同时也减少了对环境的污染。
例2 溴、碘的提取
1.常规实验
卤素的知识作为中学化学教学中的重点内容，其中的实验有助于学生理解和掌握知识。有关溴、碘的提取实验，可以帮助学生理解卤族元素间的氧化还原反应。
实验器材：2支试管。
药品：KBr溶液、KI溶液、新制氯水、少量
。
实验步骤：
①在1支试管中加入2mL～3mLKBr溶液，滴加少量新制氯水，再滴加少量，振荡，静置，观察现象。
②在另1支试管中加入2mL～3mLKI溶液，滴加少量新制氯水，再滴加少量，振荡，静置，观察现象[6]。
2.改进实验
为了让学生清晰地观察到反应的进行，有颜色的变化，可以通过在滤纸上发生反应来观察。
实验器材：滤纸。
药品：KBr溶液、KI溶液、一小试管氯气。
实验步骤：
①取1张滤纸，在中央滴1滴KBr溶液，将此滤纸滴有溶液的部分放到事先制备好的装有氯气的小试管口的上方，10s后滤纸上出现土黄色的溴单质（如图2a）。
②另取1张滤纸，在中央滴1滴KI溶液，将此滤纸有溶液的部分放到事先制备好的装有氯气的小试管口的上方，几秒钟后出现暗红色的碘单质（如图2b）。
图2
3.实验评价
通过微量化实验的改进，减少试剂的用量，用1滴替代原来2mL～3mL，在滤纸上完成此实验。事先准备一小试管氯气代替氯水，同样具有较强的氧化性。另外由于氯气的密度大，气体主要集中在试管的底部，不会很快跑掉，可以二次利用。由于碘的颜色深，
与氯气的反应较灵敏，所以KI试剂的浓度可以很低。也就是说，极少量的KI就可以让学生了解到氯气和溴、碘离子发生了氧化还原反应，从而了解卤素氧化性强弱的变化。
例3 石蜡、煤油的热裂化
1.常规实验
现行的教材较旧教材更加注重密切联系学生的生活，有些是以生活为线索组织教材内容的。工业上有关石油的催化裂化过程较复杂，而教学中可以简化此工业过程，为学生提供微型实验设计来替代复杂的工业生产，从而使学生了解反应过程，并掌握其中的原理。装置如图3。
图3
实验器材：1支硬质试管、2支普通试管、铁架台、酒精灯、打孔胶塞、玻璃导管、碎瓷片。
药品：石蜡油、石棉、高锰酸钾溶液、四氯化碳溶液。
实验步骤：
①将浸透了石蜡油的石棉放置在硬质试管的底部，试管中加入碎瓷片。
②给碎瓷片加强热，石蜡油蒸汽通过炽热的碎瓷片表面发生反应，生成一定量的气体。
③将气体通入酸性高锰酸钾溶液中，观察现象。
④将气体通入溴的四氯化碳溶液中，观察现象[7]。
2.改进实验
本实验是教学内容展开的重点，实验的成功与否会影响到整节课的进行。对原有教材中的实验进行简化，操作更方便，实验易成功。
实验器材：1支硬质试管、自制长颈吸管（洗耳球配尖口长玻璃管）、试管夹、煤气灯。
药品：石蜡（小块蜡烛即可）或煤油、氧化铝、酸性高锰酸钾溶液。
实验步骤：
①在试管中加入
，加热至红热状态（如图4a）。
②取1粒石蜡或1滴煤油加入炙热的试管中，随即产生气体向试管口涌动。
③利用干燥的长吸管吸取产生的气体（试管中靠底部无色气体）（如图4b），再将此气体直接通入至酸性高锰酸钾溶液中（如图4c），生成的此还原性气体可以使紫红色的高锰酸钾溶液褪色（如图4d）。
图4
3.实验评价
常规实验已经很好地体现了微型实验在中学化学实验中的灵活运用，通过微量化的进一步改进，达到优化实验的目的。在教学过程中，让学生了解到工业石油热裂化的原理。
改进实验在操作过程中需要注意几个要点：
①先加热催化剂。石蜡或煤油裂化的反应温度都是在500℃进行的，而石蜡没有固定的沸点，范围在300～500℃，低于石蜡催化裂化温度。为了使石蜡或煤油发生裂化反应而非汽化，应先对催化剂进行加热，使其达到裂化的温度，再加入反应物。
②干燥的硬质试管。氧化铝作为催化剂，在反应中的作用十分重要。加热至高温的过程中一定要保持干燥的环境，否则会影响到加热的效果而影响其催化作用。
③吸取气体。利用长颈吸管吸取试管中氧化铝和白雾中间五色部分的气体。此部分气体才是裂化反应中的还原气体。
微量化实验可以更进一步改进，即将原来试管中的反应，改在滤纸上进行，显色的效果明显，同时也减少了试剂的用量和对环境的污染。
实验步骤：
②对实验进行定量分析，将两溶液稀释10倍后再进行同样的操作，滤纸的中央仍然显色为浅土黄色（如下页图5b），验证了
的存在。
滤纸上具有丰富的毛细管，适合有颜色变化的微型实验。尽管通过定量分析，将溶液的浓度稀释至原来的10倍时，在滤纸上仍然显色。但考虑到实验的显色现象易观察，并且0.1mol·
的浓度已经很稀，在滤纸上的实验大大减少了试剂的用量，所以选择0.1mol·的浓度已经足够。中学化学实验中，通过对某些实验中试剂的取量进行微量化的改进，节省试剂的同时，并没有影响实验现象的观察。相应的，通过对实验仪器的改进，也使微量化实验比微型实验显示出了更强的可操作性和实用性，也减少了对环境的污染。
图5
例5 木炭的干馏
微量化实验力求做到利用比较简易的实验装置，演示复杂的实验过程，可为中学化学实验课堂补充一些工业上的生产知识。结合初中的木材干馏和高中的煤的干馏实验，设计出利用铝箔卷来进行木炭干馏的方法。通过微量化的改变，同样可以作为中学化学教学中的实验来进行操作。
实验器材：铝箔纸1张、火柴4～5根、酒精灯、坩埚钳。
实验步骤：
①取4～5根火柴，去掉火柴头（可用作另外实验的用品），将火柴梗卷入铝箔中，卷成一端较细、留有孔隙，另一端较粗、卷紧用坩埚钳夹住[8]。
②在酒精灯上来回加热，约1～2min，较细、留有孔隙的一端逸出的气体（木煤气）被点燃，形成较明亮的火焰（如图6a）。当离开酒精灯时，火焰随之变微弱、熄灭。
③展开铝箔纸，会看到火柴梗已碳化，在铝箔纸上附着黑褐色的油状物木焦油（见图6b）。
实验现象明显，并且容易成功，学生易操作，微量化实验的改进为中学生实验提供了素材。另外利用本实验的没有使用的“火柴头”，可以引发学生思考另一个趣味探究实验：怎样利用这几个火柴头，来初步测定火柴头中硫的含量（质量分数）？可提供的用品有：天平、量筒、已知浓度的酸性高锰酸钾溶液、试管、煤气灯等。此实验也是微量化实验的体现，值得学生思考和探究。
图6
三、结语
中学化学的教学中，实验现象是否明显，是非常重要的一个方面，不能因为试剂的用量少或实验装置过小而使实验现象不明显，从而影响实验的教学效果。微量化实验中，利用一些更生活化、更环保的实验器材，如空矿泉水瓶、滤纸、一小块蜡烛和可供多个实验使用的火柴等，将工业上复杂过程简化成微量的、易操作的演示实验或学生实验，使学生更容易理解工业生产过程。
当然，微量化实验虽然较微型实验有了一定的进步，但并不能完全取代常规实验，只可以作为常规实验的补充和改进。微量化实验的研究也正在系统、正规化的进行中。通过不断的实践、探索，相信微量化实验的应用会提升到另一个高度。