摘 要： 利用塑料滴管對(duì)中學(xué)化學(xué)氫氣、氯氣光照爆炸，萃取分離等幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化、制作方便，且成本較低；實(shí)驗(yàn)藥品用量較少、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，用于教學(xué)能啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，取得較好的效果。改進(jìn)案例可為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提供新的思路。

關(guān)鍵詞： 塑料滴管； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 微型實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)： 10056629（2024）08007104

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2023年度上海市教育委員會(huì)非競(jìng)爭(zhēng)性社會(huì)科學(xué)課題“‘雙新’背景下中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)客教育融合研究”階段性研究成果。

1 問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：應(yīng)根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況合理地選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，有條件的學(xué)校盡可能多地為學(xué)生提供動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)；條件有限的學(xué)校，可采取教師演示實(shí)驗(yàn)或利用替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)的綠色化設(shè)計(jì)，開(kāi)展微型實(shí)驗(yàn)［1］。在教學(xué)實(shí)踐中，由于受實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)儀器配備以及實(shí)驗(yàn)安全性等多方面因素的影響，確實(shí)存在部分實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作難以開(kāi)展［2］，一些教師的演示實(shí)驗(yàn)被視頻播放替代，有些學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)也被取消，在一定程度上減弱了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，影響了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

塑料滴管是實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材，價(jià)格便宜、耐腐蝕、質(zhì)地柔軟、可塑性強(qiáng)。能否借助塑料滴管對(duì)中學(xué)化學(xué)一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為學(xué)生創(chuàng)造更多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)？基于此，本研究運(yùn)用塑料滴管對(duì)中學(xué)化學(xué)部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，以期為教學(xué)中開(kāi)展學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)造更多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)提供一些思路。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)象

2.1 氫氣、氯氣光照條件下爆炸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

氫氣、氯氣光照條件下爆炸的實(shí)驗(yàn)在以往的教學(xué)中是先分別收集氯氣、氫氣后再混勻，并用塑料薄片蓋住集氣瓶，通過(guò)鎂帶燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)光觸發(fā)反應(yīng)。反應(yīng)中可聽(tīng)見(jiàn)“嘭”的一聲，集氣瓶上塑料薄片彈開(kāi)，并可以清晰觀察到反應(yīng)產(chǎn)生白霧。盡管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯，但也存在一些問(wèn)題，如氯氣、氫氣分別收集的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，操作較為復(fù)雜；氣體混合過(guò)程中容易泄漏；鎂帶燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)光會(huì)傷害眼睛；反應(yīng)生成的氯化氫與未完全反應(yīng)的氯氣以及鎂帶燃燒產(chǎn)生的白煙未經(jīng)處理就直接散逸到空氣中，造成環(huán)境污染；實(shí)驗(yàn)還存在一定的危險(xiǎn)性，用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)有一定的安全隱患。鑒于以上問(wèn)題，本研究借助塑料滴管、魯爾閥等對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)。

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的制作（見(jiàn)圖1a）。用剪刀將塑料滴管（約10mL）尖嘴處剪去部分，使尖嘴處開(kāi)口略小于魯爾閥口徑，將魯爾閥嵌套入塑料滴管，使二者相連，并在連接處用防水膠帶或滴膠密封。然后用錐子在塑料滴管的管肚處由下至上依次鉆2個(gè)小孔，孔徑應(yīng)略小于2B鉛芯直徑，鉆孔時(shí)應(yīng)注意僅在塑料滴管壁一側(cè)上鉆孔，不要將管壁兩側(cè)均鉆穿，并在鉆好的小孔中插入鉛芯。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先往稀鹽酸（1～4mol/L）中加入氯化鈉固體至飽和，之后打開(kāi)魯爾閥，擠壓塑料滴管管肚吸取少量上述溶液（或使用注射器抽取少量上述溶液注入滴管中），倒置滴管，用手指輕輕彈擊滴管外壁，使溶液順利進(jìn)入滴管管肚中，并使溶液液面高于2根鉛芯位置。然后用手由下至上擠壓滴管未裝有液體部分，盡可能排出塑料滴管中的空氣，關(guān)閉魯爾閥。然后用鱷魚(yú)夾導(dǎo)線將2根鉛芯分別與9V電池正負(fù)極相連，鉛芯上迅速產(chǎn)生氣泡（若要加快氣泡產(chǎn)生，可以串聯(lián)多節(jié)9V電池），待原先壓癟的滴管部分重新膨脹即完成氫氣與氯氣的收集。接著在魯爾閥上部連接螺口注射器（60mL），打開(kāi)魯爾閥，用紫外光手電筒（15W）照射塑料滴管約4秒鐘（見(jiàn)圖1b），可以觀察到氫氣與氯氣在光照條件下發(fā)生爆炸反應(yīng)，注射器活塞被推動(dòng)，滴管與注射器中均可以觀察到白霧現(xiàn)象。

（a）

（b）

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)藥品用量較少、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、制作方便，制作成本也相對(duì)較低，適用于學(xué)生自己動(dòng)手制作實(shí)驗(yàn)裝置以增強(qiáng)“創(chuàng)客”體驗(yàn)，探索“創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)”［3～5］；（2）實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)容易、實(shí)驗(yàn)用時(shí)相對(duì)較短、現(xiàn)象較為清晰、安全性較高、過(guò)程綠色環(huán)保，不僅適用于教師演示實(shí)驗(yàn)，也非常適用于學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)。

此外，利用本裝置還可以完成“自制84消毒液”的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)：在塑料滴管中吸入溶有一定氫氧化鈉的飽和食鹽水，然后將下端鉛芯連接電源正極，上端鉛芯連接電源負(fù)極，使得氯氣在上逸過(guò)程中能夠與溶液中的氫氧化鈉快速反應(yīng)。電解結(jié)束后，打開(kāi)魯爾閥，輕輕擠壓滴管管肚，即可將自制的84消毒液滴加在彩色花瓣處，以完成后續(xù)相關(guān)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

2.2 簡(jiǎn)易的萃取分液實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求學(xué)生初步學(xué)會(huì)物質(zhì)分離、提純等化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，學(xué)習(xí)進(jìn)行物質(zhì)分離化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)的核心思路與基本方法。萃取、分液不僅是重要的分離和提純的實(shí)驗(yàn)方法，在生產(chǎn)生活中也具有廣泛的應(yīng)用。以“從碘水中萃取碘”的實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)存在一些值得商榷和改進(jìn)的地方，例如萃取劑用量相對(duì)較大，而且萃取劑四氯化碳有一定毒性，實(shí)驗(yàn)操作也相對(duì)復(fù)雜，不利于學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。為此，借助塑料滴管、魯爾閥等對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)。

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的制作（見(jiàn)圖2）。與前述2.1改進(jìn)裝置類似，用剪刀將塑料滴管（10mL）尖嘴處剪去部分，使尖嘴處開(kāi)口略小于魯爾閥口徑，將魯爾閥嵌入塑料滴管，使二者相連，并在連接處用防水膠帶或滴膠密封即可。利用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行萃取分液實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅需先擠壓滴管吸取少量試樣，然后倒置滴管，并用手指輕彈滴管外壁，便可使液體順利進(jìn)入滴管管肚中。再擠壓滴管未裝有液體的部分吸取少量萃取劑，再次倒置滴管，并用手指輕彈滴管外壁，使液體順利進(jìn)入滴管管肚中，關(guān)閉魯爾閥，振蕩滴管，使兩種液體充分混合，然后打開(kāi)魯爾閥放氣，重復(fù)振蕩數(shù)次后，將滴管正放靜置。等待液體出現(xiàn)清晰分層后，將滴管管肚上方剪去少許使內(nèi)外相通（若僅需下層液體，也可用錐子在滴管管肚上方鉆一小孔），將魯爾閥打開(kāi)，使下層液體沿容器壁緩緩流出。當(dāng)兩種液體交界面進(jìn)入魯爾閥孔時(shí)，關(guān)閉魯爾閥，將上層液體從滴管管肚上方倒出。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）萃取劑用量與實(shí)驗(yàn)藥品用量均較少，更為安全環(huán)保，適用于學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)；（2）實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作方便、現(xiàn)象清晰、用時(shí)短，便于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生更多地關(guān)注萃取、分液實(shí)驗(yàn)的一般思路與方法。

2.3 氫氧化鋇固體與氯化銨固體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

氫氧化鋇與氯化銨熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，一般是將氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體放入錐形瓶中，然后在玻璃上滴加少許水，將錐形瓶放置于滴有水的玻璃上，接下來(lái)用玻璃棒在燒杯中快速攪拌晶體，氫氧化鋇與氯化銨晶體反應(yīng)吸熱使得燒杯底部和玻璃片粘合，由此證明該反應(yīng)吸收熱量。但由于上述實(shí)驗(yàn)在錐形瓶這個(gè)敞口容器內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生的氨氣未進(jìn)行及時(shí)處理，會(huì)直接擴(kuò)散到空氣中造成環(huán)境污染。此外，上述實(shí)驗(yàn)常因室溫較高，使得冰與玻璃板結(jié)合不牢，甚至?xí)霈F(xiàn)不結(jié)冰的情況，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯。但當(dāng)氣溫較低時(shí)，由“手摸”錐形瓶來(lái)獲得冷感同樣不夠明顯，而且也不能進(jìn)一步探究反應(yīng)前后溫度的具體變化值。基于以上問(wèn)題，借助塑料滴管、溫度傳感器等，作了以下改進(jìn)。

首先用剪刀將塑料滴管（10mL）尖嘴處剪去部分（以開(kāi)口處大小可以伸入藥匙末端為宜），用藥匙末端依次將氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體裝入該塑料滴管管肚處，將前述滴管所剪去部分反向嵌入滴管開(kāi)口處，并用熱熔膠或密封膠帶將連接處密封（亦可在連接處放置蘸有飽和食鹽水的棉花團(tuán)吸收氨氣），然后將無(wú)線溫度傳感器插入塑料滴管管肚（見(jiàn)圖3），連接處也可放置蘸有飽和食鹽水的棉花團(tuán)。實(shí)驗(yàn)時(shí)僅需用手揉搓塑料滴管管肚，使氫氧化鋇晶體與氯化銨晶體混合反應(yīng)，并通過(guò)溫度傳感器觀察溫度的變化曲線。

本實(shí)驗(yàn)藥品用量微量化，且現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)中基本聞不到氨氣的味道，符合綠色環(huán)保理念。借助溫度傳感器獲得的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)化、數(shù)字化的，有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)中熱量變化這一抽象概念。利用無(wú)線溫度傳感器（量程-40～125℃，精度±0.25℃）可提供比水銀或酒精溫度計(jì)更精確的數(shù)據(jù)，不僅提高了測(cè)量的精度和速度，也節(jié)省了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需的記錄、計(jì)算、分析的時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)的重心可以更多地落到對(duì)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的本質(zhì)探究和思維提升上。

2.4 簡(jiǎn)易氣體制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

中學(xué)階段某些氣體的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)較多存在儀器復(fù)雜、操作繁瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)、藥品用量較多、有毒氣體逸出等問(wèn)題，為此，借助塑料滴管、魯爾閥、注射器、針頭等，進(jìn)行了如下改進(jìn)。

同樣地，首先用剪刀將塑料滴管（10mL）尖嘴處剪去部分，使尖嘴處開(kāi)口略小于魯爾閥口徑，用藥匙或鑷子放入固體藥品（如Zn粉）后，將魯爾閥嵌套入塑料滴管，使二者相連，并在連接處用防水膠帶或滴膠密封。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由滴管管肚至滴管尖嘴處依次擠壓，盡可能地排出塑料滴管中的空氣后，吸取少量液體反應(yīng)物（如稀鹽酸）（或使用注射器抽取少量上述溶液注入滴管中），關(guān)閉魯爾閥后，倒置滴管，用手指輕輕彈擊滴管外壁，使溶液順利進(jìn)入滴管管肚中，固液接觸，反應(yīng)開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)中可以將魯爾閥與針頭、注射器等相連（見(jiàn)圖4），進(jìn)行氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)或氣體收集等。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，

還可通過(guò)魯爾閥注入相關(guān)試液進(jìn)行尾氣處理等。

此外，將本裝置略做改進(jìn)，還可以達(dá)到簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器的效果。僅需將本裝置滴管管肚處用錐子鉆數(shù)個(gè)小孔，將本裝置滴管管肚浸入液體反應(yīng)物中，打開(kāi)魯爾閥，液體反應(yīng)物進(jìn)入滴管管肚與固體反應(yīng)物接觸，反應(yīng)開(kāi)始，而當(dāng)關(guān)閉魯爾閥，生成的氣體將液體反應(yīng)物排出滴管管肚，反應(yīng)即停止。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有裝置簡(jiǎn)單，易于操作，且通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于中學(xué)階段涉及的氧氣、氫氣、二氧化硫、氯氣、一氧化氮、二氧化氮等多種氣體的制備以及相關(guān)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

上述幾個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中取得了較好的效果，對(duì)開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提供了一些新的思路和啟發(fā)。此外，基于塑料滴管的實(shí)驗(yàn)裝置本身，在教學(xué)實(shí)踐中也可以用于學(xué)生的創(chuàng)客式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，在教學(xué)中通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與制作，幫助學(xué)生深入認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，啟迪科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

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