實(shí)驗(yàn)六-新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)六新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用一.微型實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用（一）微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)簡介微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)(microscalechemicalexperiment或microscalelaboratory，簡寫為M．I．)是指以盡可能少的化學(xué)試劑在微型化學(xué)儀器裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來獲取化學(xué)信息的試驗(yàn)方法與技術(shù)。具有“實(shí)驗(yàn)儀器微型化”和“試劑用量節(jié)約化”兩個基本特征。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代。從1982年起，美國的Mayo和Pike等開始在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用主要試劑在mmol量級的微型制備實(shí)驗(yàn)，取得成功，從而掀起了80年代研究和應(yīng)用微型實(shí)驗(yàn)的浪潮。20世紀(jì)80年代末在我國得到較快推廣并逐漸進(jìn)入高校及中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。由于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法具有環(huán)保、安全、反應(yīng)時間短、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，因此在全世界范圍內(nèi)許多國家積極研究、推廣使用。玻璃材質(zhì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器及其配件在國內(nèi)，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的玻璃材質(zhì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器及其配件，有微型試管、具支試管、燒杯、酒精燈、尖嘴管等玻璃儀器及其相關(guān)配件。另外，有部分高校及中學(xué)利用成套配置的微型實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于成套配置的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器具有密封性好、能夠加熱、可以初步定量化等優(yōu)點(diǎn)，能用于對實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)測量要求較高的有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)或分析化學(xué)等課程中的個別研究?；镜奈⑿蛯?shí)驗(yàn)儀器包括試管、具支試管、圓底燒瓶、雙頸燒瓶、漏斗、錐形瓶、雙通管、鐵架臺等，另附有三頸燒瓶、干燥管等配件儀器。塑料材質(zhì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器塑料材質(zhì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器制作價格低廉，試劑用量少，不易破碎，易于普及。常用的塑料材質(zhì)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器有多用滴管、井穴板、滴管架等，部分實(shí)驗(yàn)可以利用醫(yī)用塑料注射器作為實(shí)驗(yàn)儀器。多用滴管：基本用途是作滴液試劑瓶，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時使用。一般濃度的酸、堿、鹽溶液可長期貯存于液泡中；另外，多用滴管的吸泡還是一個反應(yīng)容器。井穴板：可用作微型無機(jī)或普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要反應(yīng)容器。常用的是九孔和六孔井穴板。溫度不高于80℃（限水浴加熱）的無機(jī)反應(yīng)，一般可以再板上井穴中進(jìn)行。另外，六孔井穴板透明度好，同一列井穴透光率相同，這樣就可以與投影教學(xué)相結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)微型化，又可以作為演示實(shí)驗(yàn)使學(xué)生清晰的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。滴管架：上面設(shè)有多個插孔，可用于放置多用滴管（倒置）、滴液滴瓶和小試管；滴管架低層的圓孔還設(shè)計(jì)用于放置微型酒精燈。（二）微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用及研究意義（1）有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。由于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器小巧、精致，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器的外形、材料、顏色等感到好奇，做實(shí)驗(yàn)時甚至愛不釋手。另外，不少微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，有些實(shí)驗(yàn)可以利用日常生活中的材料作為簡易實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作簡便、安全、易成功化以及材料生活化，改變了學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的畏懼感和神秘感，貼近了學(xué)生的生活，從而使學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)更感興趣。（2）有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和綠色化學(xué)觀念。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的藥品用量少，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)比相應(yīng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量節(jié)省90%，另外，微型實(shí)驗(yàn)由于藥品用量少，實(shí)驗(yàn)易操作又不會造成危險，反應(yīng)產(chǎn)物中生成的污染性物質(zhì)量少，對環(huán)境的污染小，這些都有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和綠色化學(xué)觀念。（3）有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和觀察能力。隨著微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器使用的普及，儀器價格相對低廉，易于實(shí)驗(yàn)學(xué)生每人一套，學(xué)生甚至可以在教室中跟隨教室的課堂教學(xué)進(jìn)程隨時親自動手做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)動手的機(jī)會大大增加。教師可以對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣正確引導(dǎo)，使學(xué)生認(rèn)真實(shí)驗(yàn)、仔細(xì)觀察、逐漸提高學(xué)生的動手能力和觀察能力。（4）有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和探究能力?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)微型化，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)試劑用量較少，實(shí)驗(yàn)更安全?？梢越o學(xué)生更多親自動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會。學(xué)生可以利用微型實(shí)驗(yàn)儀器，根據(jù)所學(xué)習(xí)的化學(xué)原理來自己重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主改造，組合各種儀器裝置，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，逐步提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維素質(zhì)。（三）案例分析——利用微型實(shí)驗(yàn)儀器電解水（1）實(shí)驗(yàn)原理中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，制備氫氣可以通過活潑金屬和強(qiáng)酸（如H2SO4、HCl）反應(yīng)，該方法具有實(shí)驗(yàn)裝置簡單、反應(yīng)快速省時，適合做中學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，但是采用該方法制備得到的H2純度低；中學(xué)學(xué)習(xí)過電解部分的知識，可以通過電解水來制備較純凈的H2，該方法制備得到的H2純度較高，但是實(shí)驗(yàn)裝置稍微復(fù)雜，耗能也比較大。純凈水的導(dǎo)電性差，經(jīng)常通過加入強(qiáng)電解質(zhì)以增強(qiáng)導(dǎo)電性，如加入Na2SO4、H2SO4、NaOH等。純凈水的導(dǎo)電性差，經(jīng)常通過加入強(qiáng)電解質(zhì)以增強(qiáng)導(dǎo)電性，如加入Na2SO4、H2SO4、NaOH等。此外，用鐵釘作為電極進(jìn)行點(diǎn)解，鐵釘上也會發(fā)生副反應(yīng)：陽極：Fe-2e-+2OH-==Fe(OH)2陰極：2H2O+2e-==2OH-+H2↑總反應(yīng)：Fe+2H2O==Fe（OH)2+H2↑（2）儀器藥品儀器：多用滴管、井穴板、低壓電源、大頭針（表面鍍鎳）、肥皂水、火柴試劑：去離子水、Na2SO4溶液（0.5mol/L）、NaOH溶液（0.5mol/L）、H2SO4溶液（0.5mol/L）（3）實(shí)驗(yàn)步驟①在多用滴管中吸取純水，插入兩根大頭針作為電極，連接低壓電源，觀察現(xiàn)象；②在多用滴管中換取Na2SO4溶液、NaOH溶液或其它強(qiáng)酸強(qiáng)堿鹽溶液或強(qiáng)堿溶液，接通電源，觀察現(xiàn)象；③當(dāng)多用滴管中產(chǎn)生較多氣泡時，將滴管尖嘴插入井穴板中盛放的肥皂水中，用火柴點(diǎn)燃吹起的肥皂泡，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；④實(shí)驗(yàn)一段時間后，觀察電極（大頭針）的變化，解釋其變化原因，說明該如何解決問題。（4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄所用溶液實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)解釋電極溶液肥皂泡水兩極都有少量氣泡產(chǎn)生溶液沒有明顯的變化.有肥皂泡產(chǎn)生，但點(diǎn)燃沒有明顯的爆鳴聲。陰極的反應(yīng)：2H++2e-→H2↑陽極的反應(yīng)：2H2O→O2↑+4H++4e-產(chǎn)生的氣泡比較少沒有爆鳴聲稀硫酸兩極都有氣泡產(chǎn)生，陽極大頭針有溶解現(xiàn)象。無色溶液變?yōu)辄S色多用吸管發(fā)熱。有肥皂泡產(chǎn)生，但點(diǎn)燃沒有尖銳的爆鳴聲。陰極的反應(yīng)：2H++2e-→H2↑陽極的反應(yīng)：2H2O→O2↑+4H++4e-Fe→Fe2++2e-Fe2++H++O2→Fe3++H2O產(chǎn)生氣泡比較多有尖銳爆鳴聲氫氧化鈉兩極都有氣泡產(chǎn)生，陽極大頭針處有紅褐色沉淀產(chǎn)生。溶液沒有明顯變化有肥皂泡產(chǎn)生，但點(diǎn)燃沒有尖銳的爆鳴聲。陰極的反應(yīng)：2H2O+2e-→2OH-+H2↑陽極的反應(yīng)：4OH-→2H2O+O2+4e-↑Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓因此能看到紅褐色沉淀硫酸鈉兩極都有氣泡產(chǎn)生，陽極大頭針處有紅褐色沉淀產(chǎn)生無色溶液變?yōu)辄S色有肥皂泡產(chǎn)生，但點(diǎn)燃沒有尖銳的爆鳴聲。陰極的反應(yīng)：2H2O+2e-→2OH-+H2↑陽極的反應(yīng)：4OH-→2H2O+O2+4e-↑Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓因此能看到紅褐色沉淀（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：①電解去離子水，由于其中可自由移動的離子數(shù)量少，因此速率很慢，看不到明顯有氣泡產(chǎn)生現(xiàn)象。②加入稀硫酸、硫酸鈉、氫氧化鈉等強(qiáng)電解質(zhì)溶液，溶液導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，有明顯的電解現(xiàn)象。此時溶液中放電的離子仍是H+、OH-，電解的物質(zhì)仍然是水。③在我們實(shí)驗(yàn)中，由于使用的大頭針鍍層破損，鐵與電解液直接接觸，在電解水過程中鐵質(zhì)大頭針在陽極被氧化為亞鐵離子，在堿性或中性條件下，被空氣繼續(xù)氧化成三價鐵離子，并結(jié)合氫氧根離子，最終變成氫氧化鐵紅褐色沉淀，由于量較少，故呈棕黃色。④電解過程中產(chǎn)生氫氣與氧氣，因此能吹起肥皂泡，并由于氫氣不純，所以點(diǎn)燃肥皂泡會發(fā)生清脆響亮的爆鳴聲。二.手持實(shí)驗(yàn)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用（一）手持技術(shù)簡介手持技術(shù)又稱掌上技術(shù)，是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集各種常見數(shù)據(jù)并能與計(jì)算機(jī)連接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能采集的理科數(shù)據(jù)包括電流、電壓、光強(qiáng)度、溫度、力、氣壓、磁場、音量、距離、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、CO2濃度、色度以及Ca2+、NO3-、NH4+、Cl-的濃度、相對濕度、心電圖、光強(qiáng)度等。手持技術(shù)最突出的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：便攜：數(shù)據(jù)采集器和傳感器都較小，在手掌上就可以操作，采集多種數(shù)據(jù)，故形象地稱為手持技術(shù)儀器。其便攜性可讓師生能隨時隨地進(jìn)行定量的探究活動，并將實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果儲存，這將使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室用傳統(tǒng)方法進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀得到徹底改變。實(shí)時：數(shù)據(jù)變化過程與實(shí)驗(yàn)過程同時進(jìn)行。如果與計(jì)算機(jī)連接，就能將顯示變化過程的各種形式同時演示出來。準(zhǔn)確：既可以由儀器或電腦自動收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，時間間隔從1?/208000s到1h任意選擇，又可以人工控制收集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確到0.5%，完全符合中學(xué)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求。綜合：數(shù)據(jù)采集器可與各種傳感器連接，可同時進(jìn)行理、化、生、體育、環(huán)境、氣象等學(xué)科實(shí)驗(yàn)的定量探索研究。直觀：可以圖像、指針、刻度計(jì)、表格等多種形式動態(tài)實(shí)時地顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化過程。你可從自己喜歡的顯示方式中任意查看某一時刻、某一段時間或整個過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。物質(zhì)溶解于水往往使溶液的溫度發(fā)生變化。選取NaCl和NH4Cl種物質(zhì)溶解于水時，應(yīng)用現(xiàn)代化的測量技術(shù)——手持技術(shù)，定量測量其溫度的變化，探求物質(zhì)溶解于水時溫度變化的規(guī)律。（二）案例分析——NH4Cl&NaCl溶解熱的測定（1）實(shí)驗(yàn)儀器與試劑儀器：CL-4型恒溫磁力加熱攪拌器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、燒杯藥品：NH4Cl固體、NaCl固體（2）實(shí)驗(yàn)步驟①用托盤天平稱取約3.0gNH4Cl固體；②在100mL燒杯中加入約60mL自來水，插入溫度傳感器，并啟動攪拌器攪拌；③將電腦、數(shù)據(jù)采集器、探頭連接好，打開軟件，設(shè)置參數(shù)；④點(diǎn)擊運(yùn)行，待儀器穩(wěn)定（約10秒）后加入固體；⑤觀察顯示屏中曲線變化，待采集器停止記錄后，保存曲線圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；⑥將固體換成NaCl重復(fù)上述的①~⑤。（3）數(shù)據(jù)分析與處理：①NaCl的溶解熱將采集到的相應(yīng)數(shù)據(jù)作圖，得圖1。由圖1可知，NaCl溶于水時，溶液溫度由26.14℃變?yōu)?5.5℃，溶液溫度降低，是吸熱過程。②NH4Cl的溶解熱將采集到的相應(yīng)數(shù)據(jù)作圖，得圖2。由圖2可知，NH4Cl溶于水時，溶液溫度由26.72℃變?yōu)?4.71℃，溶液溫度降低，是吸熱過程。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果物質(zhì)在水中溶解是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，總是會伴隨著能量的變化，有熱效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生。晶體物質(zhì)溶解于水中時，首先要將晶體內(nèi)的晶格拆散，消耗一定的能量，這相當(dāng)于這種晶體的晶格能U。晶體的離子在水中與水發(fā)生水化作用，放出一定的能量，成為水化能H。一定量的物質(zhì)溶解于水時的熱效應(yīng)可表示為：L=H-U，如果H>U，那么L>0，溶解過程放出熱量；如果H<U，那么L<0，溶解過程吸收熱量。通過本實(shí)驗(yàn)可知，NaCl和NH4Cl的溶解均為吸熱過程，NaCl溶解時溫度降低0.64℃，NH4Cl溶解時溫度則降低2.02℃，可得NaCl時溶解溫度降低較少，而NH4Cl溶解時溫度降低較為顯著。三.思考與感想首先，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器小巧，使得學(xué)生對儀器的外形，材料等趕到新奇，利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣；其次，很多微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很巧妙，操作簡便，利用生活中的材料便可進(jìn)行簡易實(shí)驗(yàn)裝置的組裝，學(xué)生在課下可以根據(jù)個人的興趣愛好自行操作，將課堂延續(xù)到課下，貼近學(xué)生的生活，很好地培養(yǎng)的學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；再者，微型化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的藥品用量少，既節(jié)約了學(xué)校的教學(xué)經(jīng)費(fèi)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的危險程度也大