陸應(yīng)淇 王 璇 張 磊

江蘇省錫山高級(jí)中學(xué)(214174)

1 問(wèn)題提出

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究的基本方法與思路,是科學(xué)探究的重要途徑,2019年11月頒布的《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要意義[1]。教師針對(duì)課堂傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),呈現(xiàn)問(wèn)題解決思路,體現(xiàn)科學(xué)探究意識(shí),傳遞綠色環(huán)保價(jià)值觀,能夠從多方面發(fā)揮實(shí)驗(yàn)育人的功能,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)[2]。一體化實(shí)驗(yàn)具有綠色、高效、視覺(jué)趣味等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生對(duì)氣體制取、檢驗(yàn)、收集以及尾氣處理的結(jié)構(gòu)化思路。課堂中一些有害氣體的制取及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)往往存在操作復(fù)雜、藥品用量多、有害氣體逸散等問(wèn)題,因此筆者利用三通閥和注射器的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了在密閉條件下集氣體制取、檢驗(yàn)、收集和尾氣處理為一體的通用實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖1),該裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約、教學(xué)功能豐富、操作趣味性強(qiáng)、適用性廣,有很好的育人價(jià)值。

圖1 氣體制取和性質(zhì)探究一體化實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)器材

2.1 三通閥

如圖2所示,三通閥的旋鈕上有3個(gè)箭頭,旋轉(zhuǎn)旋鈕可調(diào)節(jié)箭頭指向,實(shí)現(xiàn)任意兩口或三口的連通,可以同時(shí)連通多種裝置,為實(shí)驗(yàn)的一體化提供了便利。

圖2 三通閥示意圖

2.2 雙支口藍(lán)蓋螺口瓶

如圖3所示,雙支口藍(lán)蓋螺口瓶的壁很厚,可以承受較大的氣壓差。其瓶口以螺口蓋形式密封,在反應(yīng)過(guò)程中,氣壓驟升時(shí)瓶蓋也不會(huì)被頂開(kāi)。從整體上看,雙支口藍(lán)蓋螺口瓶比傳統(tǒng)的三頸燒瓶更加牢固、安全可靠。瓶蓋和瓶身的多種支口滿足一體化實(shí)驗(yàn)的需求,此前張磊、王璇等[3]設(shè)計(jì)并利用此儀器進(jìn)行了“基于傳感器檢測(cè)探究鹽酸與碳酸鈉溶液的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn),效果良好。

圖3 雙支口藍(lán)蓋螺口瓶示意圖

3 氣體的制取和性質(zhì)探究一體化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

在進(jìn)行有毒氣體的制取與性質(zhì)探究時(shí),稍有不慎就會(huì)使有毒氣體泄漏到空氣中,對(duì)環(huán)境造成污染,或者對(duì)師生的健康造成危害。因此,教師授課時(shí)常常采用動(dòng)畫演示實(shí)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)視頻的方式,但卻使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠直觀、可視化。于是筆者對(duì)這些實(shí)驗(yàn)裝置在先前研究者[4-6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使實(shí)驗(yàn)變得更加安全、直觀、簡(jiǎn)便。在此以二氧化氮的制取及性質(zhì)的檢驗(yàn)為例,進(jìn)而推廣到其他氣體。

3.1 二氧化氮制取和性質(zhì)探究一體化設(shè)計(jì)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和器材

實(shí)驗(yàn)藥品:濃硝酸、銅片、氫氧化鈉溶液、蒸餾水、紫色石蕊溶液等。

實(shí)驗(yàn)器材:注射器、三通閥(K1、K2、K3)、雙支口藍(lán)蓋螺口瓶、單孔橡皮塞、乳膠管、試管、藍(lán)色石蕊試紙等。

3.1.2 操作步驟

(1)檢查裝置氣密性。打開(kāi)所有閥門,逐個(gè)抽拉注射器的活塞,均能恢復(fù)原位,則氣密性良好。

(2)加入實(shí)驗(yàn)藥品。如圖4所示,向雙支口藍(lán)蓋螺口瓶中加入1.6 g銅片,在恒壓注射器中加入65%的濃硝酸。關(guān)閉K1、K3,調(diào)節(jié)K2連通注射器2和雙支口藍(lán)蓋螺口瓶,在注射器1中吸入0.5 mol/L的氫氧化鈉溶液8 mL,在注射器3中吸入4 mL蒸餾水,在注射器4中吸入少量空氣,將注射器2加入1張濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙并排盡空氣。

(3)制取NO2。打開(kāi)K1,使?jié)庀跛嶙匀坏温渲岭p支口藍(lán)蓋螺口瓶中。觀察到產(chǎn)生大量紅棕色氣體(NO2)。反應(yīng)方程式:

圖4 二氧化氮制取和性質(zhì)檢驗(yàn)一體化裝置

同時(shí),由于反應(yīng)放熱且生成氣體,裝置內(nèi)氣壓增大,注射器2的活塞被推開(kāi),注射器內(nèi)充滿紅棕色的NO2,同時(shí)濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙變紅色。

(4)NO2性質(zhì)的探究。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)K3連通注射器3和雙支口藍(lán)蓋螺口瓶,抽拉注射器3活塞吸入NO2,逆時(shí)針調(diào)節(jié)K3至原位置。振蕩注射器3,使NO2與水充分接觸。觀察到紅棕色氣體消失,但注射器中留有一部分不溶于水的無(wú)色氣體。反應(yīng)方程式:

保持注射器3針孔位置豎直朝上,緩緩向上推動(dòng)活塞,排出NO到注射器4中,觀察到注射器4中氣體變成棕紅色。反應(yīng)方程式:

如此反復(fù),交替推拉注射器3、4的活塞,可以使得氣體顏色不斷在無(wú)色和紅棕色之間變化,可實(shí)現(xiàn)NO與NO2不斷轉(zhuǎn)化,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

(5)尾氣處理。將注射器3、4中氣體、液體盡數(shù)推入雙支口藍(lán)蓋螺口瓶。將注射器1中NaOH溶液全部注入雙支口藍(lán)蓋螺口瓶并振蕩。觀察到裝置內(nèi)氣體顏色變淺,直至無(wú)色(可通過(guò)拔出注射器1補(bǔ)充NaOH溶液直至尾氣處理完全)。

3.1.3 其他有毒氣體制取性質(zhì)和探究一體化

該裝置對(duì)大部分氣體的制取和性質(zhì)探究都適用,只需更換每個(gè)容器中所加的藥品,無(wú)需對(duì)裝置進(jìn)行改造就能完成其他有毒氣體(如Cl2、SO2和H2S)的制取和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1),且檢查裝置氣密性、實(shí)驗(yàn)操作和尾氣處理過(guò)程完全相同。

3.2 氨氣的制取和性質(zhì)探究一體化

在人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)教材中,氨氣的制取和性質(zhì)是“氮及其化合物”中的一塊重點(diǎn)內(nèi)容,筆者利用一體化設(shè)計(jì),對(duì)氨氣的實(shí)驗(yàn)室制取以及性質(zhì)探究裝置進(jìn)行了整合(見(jiàn)圖5),使得學(xué)生既能領(lǐng)略到氨氣的制取,又能欣賞到美麗“噴泉”。相較于王曉瑜等給出的方案[7],筆者設(shè)計(jì)的裝置在稍作改動(dòng)或添加新模塊之后,還可以探究氨氣的其他性質(zhì)。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品和器材

實(shí)驗(yàn)藥品:濃氨水、氫氧化鈉粉末、蒸餾水、酚酞、稀硫酸、紅色石蕊試紙等。

實(shí)驗(yàn)器材:注射器、三通閥(K1、K2、K3、K4)、雙支口藍(lán)蓋螺口瓶、圓底燒瓶、燒杯、玻璃管、雙孔橡皮塞、乳膠管等。

表1 一體化裝置所適用氣體所需試劑一覽表

圖5 氨氣的制取和噴泉實(shí)驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)裝置

3.2.2 操作步驟

(1)檢驗(yàn)裝置氣密性。關(guān)閉K1、K4使之不與外界相連,依次抽拉注射器,若注射器活塞均能回到原位置,則說(shuō)明裝置氣密性良好。

(2)加入藥品。向雙支口藍(lán)蓋螺口瓶中加入氫氧化鈉粉末,調(diào)節(jié)K1使其連通圓底燒瓶和左側(cè)燒杯,調(diào)節(jié)K4連通圓底燒瓶和雙支口藍(lán)蓋螺口瓶。在注射器1中加入蒸餾水,在注射器2中加入濃氨水,在注射器3中加入稀硫酸。在左側(cè)燒杯中加入稀硫酸,右側(cè)燒杯中加入蒸餾水并滴加幾滴酚酞。在圓底燒瓶的短導(dǎo)管處放1片濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙。

(3)制取NH3。打開(kāi)K2,推動(dòng)注射器2將濃氨水注入雙支口藍(lán)蓋螺口瓶,隨后關(guān)閉K2。觀察到反應(yīng)較為劇烈,產(chǎn)生大量氣泡,一段時(shí)間后,觀察到紅色石蕊試紙變藍(lán)色,此時(shí)圓底燒瓶中已集滿NH3。立即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)K1 90°,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)K4 90°使之與圓底燒瓶隔絕。

(4)噴泉實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)K1使其連通注射器1和圓底燒瓶,推動(dòng)注射器1的活塞,將水注入圓底燒瓶,關(guān)閉K1,輕輕搖晃圓底燒瓶。然后調(diào)節(jié)K4連通雙支口藍(lán)蓋螺口瓶和右側(cè)燒杯,頃刻間,滴有酚酞的水被吸入圓底燒瓶,并且快速變成紅色,形成美麗的噴泉。

(5)尾氣處理。調(diào)節(jié)K4使燒瓶和雙支口藍(lán)蓋螺口瓶相連,燒瓶中液體流入下方,打開(kāi)K3,將稀硫酸注入雙支口藍(lán)蓋螺口瓶至容器內(nèi)氨氣完全被吸收。

4 結(jié)語(yǔ)

此一體化裝置操作簡(jiǎn)便、快捷,僅需通過(guò)控制三通閥和注射器便可完成氣體的制取、性質(zhì)探究和尾氣處理等一系列實(shí)驗(yàn)操作,可以用作復(fù)習(xí)課教師演示實(shí)驗(yàn),也可以學(xué)生自主操作,既能提高課堂效率又能鼓勵(lì)學(xué)生參與;整個(gè)裝置處于密閉狀態(tài),有效減少了有害氣體的逸散,保障了教師和學(xué)生的安全;為了使反應(yīng)試劑能夠在密閉體系中順利下滴,巧妙設(shè)計(jì)了恒壓注射器,且螺口加厚的反應(yīng)容器也保證了密閉體系的安全性,整個(gè)改進(jìn)思路均由學(xué)生和教師共同參與,發(fā)揮了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值,同時(shí)增添了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性。