微型化學實驗在教學中的實踐

張金偉

所謂微型化學實驗，就是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術。微型化學實驗是20世紀80年代美國Dana W. Mayo博士首先提出的。它的核心就是使“實驗藥品微量化，實驗儀器微型化”。其特點是：降低藥品用量，化學試劑用量一般只為常規實驗用量的幾十分之一，甚至幾千分之一，但其效果仍可以準確、明顯、安全并環保。與傳統實驗相比較，在減少環境污染、節約實驗經費的同時，還可使我們在較短的時間內，完成規定的實驗內容，克服常規實驗的不足，獲得更準確、更可靠的實驗信息。因此，在開展微型化學實驗教學中有意識地進行綠色化學教育，可以達到事半功倍的效果。

中學階段的實驗主要有性質實驗、物質制備實驗、定量實驗和綜合實驗。定量實驗一般利用常規實驗進行；其他的實驗都可以改成微型實驗進行。有的實驗結果對環境沒有太大的影響，而有的實驗對環境會造成一定的污染。對環境影響不大的實驗可利用常規實驗進行，對環境影響大的實驗，盡可能利用微型實驗進行。如氯氣的制取和性質、二氧化硫的制取和性質、濃稀硝酸的性質等實驗，對環境的污染較大，應盡可能設計成微型實驗進行。目前微型實驗的設計主要有以下三種途徑。

一、使用標準的微型實驗儀器

目前，中國微型化學實驗研究中心已經研制出標準的微型實驗儀器，它是由塑料微型儀器和玻璃微型儀器結合組成。使用方便，快捷。在學習元素化合物性質、一些有刺激性氣味和有毒物質的制備時，可選用微型化學實驗，把集氣瓶、燒瓶、啟普發生器等微型化。

例如：H2S和SO2氣體的制備及性質實驗，如圖1。

實驗儀器：微型氣體發生器、V形側泡反應管、側泡具支試管、尖嘴管、直形通氣管、直角形通氣管、止氣夾、微型酒精燈、膠頭滴管。

實驗操作：以側泡具支試管作為制備氣體的微型發生器，在左邊氣體發生器中加入約0.5g硫化亞鐵，上方滴管吸入稀硫酸。在右邊氣體發生器中加入約2mL濃硫酸，在其管口插有一根銅條。在V形側泡反應管的側泡處分別加入1～2滴紫色石蕊試液和品紅溶液，在V形處加入幾滴高錳酸鉀溶液。

實驗現象：夾緊止氣夾，加熱裝濃硫酸的側泡具支試管，沸騰后把銅條插入酸液下，這時可以看到管中有SO2氣泡出現，且濃硫酸慢慢變藍色。觀察V形側泡反應管中各處的實驗現象，紫色石蕊試液變紅色說明SO2溶于H2O生成亞硫酸，用酒精燈加熱該處溶液又變為紫色說明亞硫酸不穩定；品紅溶液褪色說明SO2具有漂白性，用酒精燈加熱該處褪色的品紅溶液紅色又復出現；高錳酸鉀溶液褪色說明SO2具有還原性易被氧化劑氧化。擠壓左邊的膠頭滴管使稀H2SO4加入側泡具支試管中，與硫化亞鐵接觸，即有H2S生成，打開止氣夾，使生成的H2S進入微型氣體發生器中與SO2接觸，經過反應，在微型氣體發生器管壁上附著一層淡黃色的固體，這是反應生成物單質硫。

實驗設計評價：H2S和SO2氣體都是對環境造成污染的有毒氣體，使用標準化微型實驗儀器組裝的實驗裝置，試劑用量比常規實驗節約70%左右，可以大大降低有毒氣體的排放，并且這套實驗裝置將H2S和SO2兩種氣體的制備融合在一起，實驗儀器組裝簡便，安全性高，反應時間短，可以在有限的時間內讓學生做更多的實驗，獲取更多的知識。同樣這套裝置也適用乙烯的制備及性質實驗。

二、創新性地設計微型實驗

在沒有微型實驗儀器的情況下，可利用一次性醫用器材或生活中的一些用品，經過創新性設計后，組裝成實驗裝置，效果也很好。例如用醫用小藥瓶和注射器設計的微型實驗裝置來進行氣體的制備和性質檢驗，或進行一些綜合性實驗，也都能取得較好的效果。

例如：利用微型實驗進行氯氣和SO2氣體的漂白性對比，如圖2。

實驗步驟及現象如下。

A瓶中：無水Na2SO3晶體。注射器：濃硫酸。制備SO2氣體的發生裝置。B瓶中：KClO3晶體。注射器：濃鹽酸。制備氯氣的發生裝置；C，D，E三個瓶中各裝一個浸水的有色布條。F，G兩個瓶中加入紫色石蕊試液。將注射器中的試劑加入藥瓶中產生氯氣和SO2氣體，觀察現象。氯氣經過的D瓶中布條最先褪色，SO2氣體經過的E瓶中布條稍后褪色，說明氯氣和SO2氣體都具有漂白性，而C瓶中的紅色布條褪色不明顯，說明氯氣和SO2氣體混合與水反應后生成硫酸和鹽酸，失去了漂白性。氯氣經過的F瓶中的紫色石蕊試液先變紅后褪色，說明氯氣溶于水生成顯酸性物質，且產生的次氯酸具有強漂白性使石蕊褪色；SO2氣體經過的G瓶的紫色石蕊試液只變紅不褪色，說明SO2的漂白性具有選擇性，它能和某些有色物質結合生成不穩定的無色物質。

實驗設計評價：這套實驗裝置將氯氣和SO2的制備進行微型化處理，使得操作簡便，且對環境的污染減小，實驗現象明顯，能夠對氯氣和SO2的漂白原理進行準確的說明。

三、設計“點滴化”實驗

在傳統的教學實驗中，為了在一套實驗裝置中驗證一種物質的多種化學性質，往往采用多個試管并列的實驗方法。組裝儀器所需時間較長，試劑加入量較大，前后實驗可能互有影響。如果利用微型實驗方法，按照事先設計好的方案，置A、B、C、D等于點滴板或表面皿上，然后按順序滴加另一種試劑，使反應體系陣列化，就會同時觀察到所有的變化，適時地進行比較、分析和歸納，其情景將和傳統方法完全不同。

例如：將探究氯氣化學性質的實驗設計成“點滴化”微型實驗，如圖3所示。使用到的儀器有：直徑為6cm的培養皿；直徑為9cm的培養皿（作蓋子），滴管。

實驗步驟：將小培養皿放在白紙上，在培養皿的不同位置分別滴加濃度為0.1mol·L-1的Na2SO3（含BaCl2）溶液、KI（含淀粉溶液）、NaOH（含酚酞）溶液、FeSO4（含KSCN）溶液、橙汁各1滴，每種液滴彼此分開，圍成半徑小于培養皿的圓形（如圖3所示），在圓心處放置2粒KClO3晶體，向KClO3晶體滴加一滴濃鹽酸，立即將作蓋子的大培養皿蓋好，觀察現象。endprint

實驗現象：觀察氯酸鉀與濃鹽酸反應產生黃綠色氣體氯氣；亞硫酸鈉被氯氣氧化成硫酸鈉，遇氯化鋇產生白色沉淀；氯氣將碘離子氧化成碘單質使淀粉變藍色；氫氧化鈉酚酞溶液的紅色逐漸褪去；硫酸亞鐵被氧化成硫酸鐵遇硫氰化鉀顯紅色；氯氣溶解到橙汁溶液中產生次氯酸的漂白性使橙汁變為無色。

實驗設計評價：使用這套微型實驗裝置研究氯氣的化學性質，效果相當好，它的最大優點就是氯氣自發彌散取代了將反應物混合，現象快速明顯，立即就能觀察到反應現象，中學生很容易就能掌握這組實驗的操作過程和實驗技術，而且藥品用量少，大大降低了氯氣對實驗室的污染程度。此外，該實驗所用儀器均為透明的玻璃儀器，因此，教師也可以用投影來做演示，以增強實驗的效果。

四、微型化學實驗的特點

通過以上微型化學實驗在教學實踐中的應用，可以總結出微型化學實驗的以下特點。

（一）微型化學實驗體現了綠色化學理念

綠色化學的目標是研究和尋找能充分利用的無毒害原材料，最大限度地節約能源，在各環節都實現凈化和無污染反應途徑。實驗教學與綠色化學聯系最為直接，化學實驗綠色化是社會發展的需要，也是學生身心健康發展的需要，因此，為了實現綠色化學的理念，中學化學實驗必須進行改革創新。發展微型化實驗，使實驗儀器微型化，實驗藥品微量化，與傳統實驗相比較，大大減少了有毒有害物質的排放，降低了環境污染，但實驗效果仍可以準確、明顯、安全并且環保。

（二）微型化學實驗有利于提高學生動手操作能力，培養實驗創新精神

在一些化學實驗中涉及的化學實驗藥品或生成的化學物質具有一定的毒害性，有些學生在化學實驗中會心存畏懼，害怕傷害到自己而不敢動手實驗，這種情況影響了他們對化學實驗的興趣和積極性。在教學中引入微型化學實驗，能夠很好地解決上述問題，實驗裝置的微型化，會降低膽小學生的畏懼心理，增加學生動手操作的機會，有利于增強學生的實驗能力。一些巧妙的微型化學實驗設計，提高了學生學習化學的興趣，刺激了學生的創造性思維，開闊了學生的實驗設計思路，有利于培養學生的實驗創新精神。

（三）微型化學實驗提高了課堂教學的效率

實驗儀器微型化節省了組裝實驗的時間，實驗藥品微量化使化學反應的時間也大大縮短，這樣在課堂上留下更多的時間供師生反思、交流，更利于學生思維的開闊和發展，提高課堂教學的效率。

在新課程理念的引領下，創新性微型化學實驗在教學中的應用，一方面體現了綠色化學的理念，以較少的試劑完成實驗，最大限度地降低了對環境的污染，保護了實驗者的健康；另一方面微型實驗創新與培養學生進取創新精神有機地結合起來，大大激發了學生對化學實驗的興趣，在實驗的過程中學生學會改進，學會創新，從而培養學生運用所學知識進行創新的精神和能力?；瘜W實驗以其豐富的內涵在化學教學中發揮著獨特的功能和作用，在教育、教學中占據著非常重要的地位，重視化學實驗，創新化學實驗，對于培養學生科學的實驗素養，樹立科學的人生觀，全面提高教學質量具有重要意義。endprint