实验六-新型实验技术的应用

实验六新型实验技术的应用一.微型实验技术的应用（一）微型化学实验简介微型化学实验(microscalechemicalexperiment或microscalelaboratory，简写为M．I．)是指以尽可能少的化学试剂在微型化学仪器装置中进行实验来获取化学信息的试验方法与技术。具有“实验仪器微型化”和“试剂用量节约化”两个基本特征。微型化学实验技术兴起于20世纪80年代。从1982年起，美国的Mayo和Pike等开始在基础有机化学实验中采用主要试剂在mmol量级的微型制备实验，取得成功，从而掀起了80年代研究和应用微型实验的浪潮。20世纪80年代末在我国得到较快推广并逐渐进入高校及中学实验教学实践中的应用。由于微型化学实验的方法具有环保、安全、反应时间短、节省成本等优点，因此在全世界范围内许多国家积极研究、推广使用。玻璃材质微型化学实验仪器及其配件在国内，中学化学实验中常见的玻璃材质微型化学实验仪器及其配件，有微型试管、具支试管、烧杯、酒精灯、尖嘴管等玻璃仪器及其相关配件。另外，有部分高校及中学利用成套配置的微型实验仪器进行化学实验。由于成套配置的微型化学实验仪器具有密封性好、能够加热、可以初步定量化等优点，能用于对实验条件、实验测量要求较高的有机化学、无机化学或分析化学等课程中的个别研究。基本的微型实验仪器包括试管、具支试管、圆底烧瓶、双颈烧瓶、漏斗、锥形瓶、双通管、铁架台等，另附有三颈烧瓶、干燥管等配件仪器。塑料材质微型化学实验仪器塑料材质微型化学实验仪器制作价格低廉，试剂用量少，不易破碎，易于普及。常用的塑料材质微型化学实验仪器有多用滴管、井穴板、滴管架等，部分实验可以利用医用塑料注射器作为实验仪器。多用滴管：基本用途是作滴液试剂瓶，供学生实验时使用。一般浓度的酸、碱、盐溶液可长期贮存于液泡中；另外，多用滴管的吸泡还是一个反应容器。井穴板：可用作微型无机或普通化学实验的重要反应容器。常用的是九孔和六孔井穴板。温度不高于80℃（限水浴加热）的无机反应，一般可以再板上井穴中进行。另外，六孔井穴板透明度好，同一列井穴透光率相同，这样就可以与投影教学相结合，既实现了实验微型化，又可以作为演示实验使学生清晰的观察到实验现象。滴管架：上面设有多个插孔，可用于放置多用滴管（倒置）、滴液滴瓶和小试管；滴管架低层的圆孔还设计用于放置微型酒精灯。（二）微型化学实验的应用及研究意义（1）有利于激发学生学习化学的兴趣。由于微型化学实验的仪器小巧、精致，学生对实验仪器的外形、材料、颜色等感到好奇，做实验时甚至爱不释手。另外，不少微型实验设计巧妙，有些实验可以利用日常生活中的材料作为简易实验装置，实现了化学实验操作简便、安全、易成功化以及材料生活化，改变了学生对化学实验的畏惧感和神秘感，贴近了学生的生活，从而使学生对化学实验更感兴趣。（2）有利于培养学生的环保意识和绿色化学观念。微型化学实验的药品用量少，统计数据表明微型化学实验比相应常规实验用量节省90%，另外，微型实验由于药品用量少，实验易操作又不会造成危险，反应产物中生成的污染性物质量少，对环境的污染小，这些都有利于培养学生的环保意识和绿色化学观念。（3）有利于培养学生的动手能力和观察能力。随着微型化学实验仪器使用的普及，仪器价格相对低廉，易于实验学生每人一套，学生甚至可以在教室中跟随教室的课堂教学进程随时亲自动手做化学实验，实验动手的机会大大增加。教师可以对学生的实验兴趣正确引导，使学生认真实验、仔细观察、逐渐提高学生的动手能力和观察能力。（4）有利于培养学生的创造性思维能力和探究能力。化学实验微型化，使化学实验试剂用量较少，实验更安全。可以给学生更多亲自动手实验的机会。学生可以利用微型实验仪器，根据所学习的化学原理来自己重新设计实验，自主改造，组合各种仪器装置，在实验中培养学生的探究能力，逐步提高学生的创造性思维素质。（三）案例分析——利用微型实验仪器电解水（1）实验原理中学化学实验中，制备氢气可以通过活泼金属和强酸（如H2SO4、HCl）反应，该方法具有实验装置简单、反应快速省时，适合做中学课堂演示实验的特点，但是采用该方法制备得到的H2纯度低；中学学习过电解部分的知识，可以通过电解水来制备较纯净的H2，该方法制备得到的H2纯度较高，但是实验装置稍微复杂，耗能也比较大。纯净水的导电性差，经常通过加入强电解质以增强导电性，如加入Na2SO4、H2SO4、NaOH等。纯净水的导电性差，经常通过加入强电解质以增强导电性，如加入Na2SO4、H2SO4、NaOH等。此外，用铁钉作为电极进行点解，铁钉上也会发生副反应：阳极：Fe-2e-+2OH-==Fe(OH)2阴极：2H2O+2e-==2OH-+H2↑总反应：Fe+2H2O==Fe（OH)2+H2↑（2）仪器药品仪器：多用滴管、井穴板、低压电源、大头针（表面镀镍）、肥皂水、火柴试剂：去离子水、Na2SO4溶液（0.5mol/L）、NaOH溶液（0.5mol/L）、H2SO4溶液（0.5mol/L）（3）实验步骤①在多用滴管中吸取纯水，插入两根大头针作为电极，连接低压电源，观察现象；②在多用滴管中换取Na2SO4溶液、NaOH溶液或其它强酸强碱盐溶液或强碱溶液，接通电源，观察现象；③当多用滴管中产生较多气泡时，将滴管尖嘴插入井穴板中盛放的肥皂水中，用火柴点燃吹起的肥皂泡，观察实验现象；④实验一段时间后，观察电极（大头针）的变化，解释其变化原因，说明该如何解决问题。（4）实验现象记录所用溶液实验现象实验解释电极溶液肥皂泡水两极都有少量气泡产生溶液没有明显的变化.有肥皂泡产生，但点燃没有明显的爆鸣声。阴极的反应：2H++2e-→H2↑阳极的反应：2H2O→O2↑+4H++4e-产生的气泡比较少没有爆鸣声稀硫酸两极都有气泡产生，阳极大头针有溶解现象。无色溶液变为黄色多用吸管发热。有肥皂泡产生，但点燃没有尖锐的爆鸣声。阴极的反应：2H++2e-→H2↑阳极的反应：2H2O→O2↑+4H++4e-Fe→Fe2++2e-Fe2++H++O2→Fe3++H2O产生气泡比较多有尖锐爆鸣声氢氧化钠两极都有气泡产生，阳极大头针处有红褐色沉淀产生。溶液没有明显变化有肥皂泡产生，但点燃没有尖锐的爆鸣声。阴极的反应：2H2O+2e-→2OH-+H2↑阳极的反应：4OH-→2H2O+O2+4e-↑Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓因此能看到红褐色沉淀硫酸钠两极都有气泡产生，阳极大头针处有红褐色沉淀产生无色溶液变为黄色有肥皂泡产生，但点燃没有尖锐的爆鸣声。阴极的反应：2H2O+2e-→2OH-+H2↑阳极的反应：4OH-→2H2O+O2+4e-↑Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓因此能看到红褐色沉淀（5）实验结果：①电解去离子水，由于其中可自由移动的离子数量少，因此速率很慢，看不到明显有气泡产生现象。②加入稀硫酸、硫酸钠、氢氧化钠等强电解质溶液，溶液导电性大大增强，有明显的电解现象。此时溶液中放电的离子仍是H+、OH-，电解的物质仍然是水。③在我们实验中，由于使用的大头针镀层破损，铁与电解液直接接触，在电解水过程中铁质大头针在阳极被氧化为亚铁离子，在碱性或中性条件下，被空气继续氧化成三价铁离子，并结合氢氧根离子，最终变成氢氧化铁红褐色沉淀，由于量较少，故呈棕黄色。④电解过程中产生氢气与氧气，因此能吹起肥皂泡，并由于氢气不纯，所以点燃肥皂泡会发生清脆响亮的爆鸣声。二.手持实验技术在化学实验中的应用（一）手持技术简介手持技术又称掌上技术，是由数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集各种常见数据并能与计算机连接的实验技术系统。该系统能采集的理科数据包括电流、电压、光强度、温度、力、气压、磁场、音量、距离、pH、溶解氧、电导率、CO2浓度、色度以及Ca2+、NO3-、NH4+、Cl-的浓度、相对湿度、心电图、光强度等。手持技术最突出的特点有以下几点：便携：数据采集器和传感器都较小，在手掌上就可以操作，采集多种数据，故形象地称为手持技术仪器。其便携性可让师生能随时随地进行定量的探究活动，并将实验的过程及结果储存，这将使传统实验室用传统方法进行传统实验的现状得到彻底改变。实时：数据变化过程与实验过程同时进行。如果与计算机连接，就能将显示变化过程的各种形式同时演示出来。准确：既可以由仪器或电脑自动收集实验数据，时间间隔从1‌/208000s到1h任意选择，又可以人工控制收集，实验数据可以准确到0.5%，完全符合中学对实验数据准确度的要求。综合：数据采集器可与各种传感器连接，可同时进行理、化、生、体育、环境、气象等学科实验的定量探索研究。直观：可以图像、指针、刻度计、表格等多种形式动态实时地显示实验数据的变化过程。你可从自己喜欢的显示方式中任意查看某一时刻、某一段时间或整个过程的实验数据。物质溶解于水往往使溶液的温度发生变化。选取NaCl和NH4Cl种物质溶解于水时，应用现代化的测量技术——手持技术，定量测量其温度的变化，探求物质溶解于水时温度变化的规律。（二）案例分析——NH4Cl&NaCl溶解热的测定（1）实验仪器与试剂仪器：CL-4型恒温磁力加热搅拌器、温度传感器、数据采集器、烧杯药品：NH4Cl固体、NaCl固体（2）实验步骤①用托盘天平称取约3.0gNH4Cl固体；②在100mL烧杯中加入约60mL自来水，插入温度传感器，并启动搅拌器搅拌；③将电脑、数据采集器、探头连接好，打开软件，设置参数；④点击运行，待仪器稳定（约10秒）后加入固体；⑤观察显示屏中曲线变化，待采集器停止记录后，保存曲线图，进行数据处理；⑥将固体换成NaCl重复上述的①~⑤。（3）数据分析与处理：①NaCl的溶解热将采集到的相应数据作图，得图1。由图1可知，NaCl溶于水时，溶液温度由26.14℃变为25.5℃，溶液温度降低，是吸热过程。②NH4Cl的溶解热将采集到的相应数据作图，得图2。由图2可知，NH4Cl溶于水时，溶液温度由26.72℃变为24.71℃，溶液温度降低，是吸热过程。（4）实验结果物质在水中溶解是一个复杂的物理化学过程，总是会伴随着能量的变化，有热效应现象的发生。晶体物质溶解于水中时，首先要将晶体内的晶格拆散，消耗一定的能量，这相当于这种晶体的晶格能U。晶体的离子在水中与水发生水化作用，放出一定的能量，成为水化能H。一定量的物质溶解于水时的热效应可表示为：L=H-U，如果H>U，那么L>0，溶解过程放出热量；如果H<U，那么L<0，溶解过程吸收热量。通过本实验可知，NaCl和NH4Cl的溶解均为吸热过程，NaCl溶解时温度降低0.64℃，NH4Cl溶解时温度则降低2.02℃，可得NaCl时溶解温度降低较少，而NH4Cl溶解时温度降低较为显著。三.思考与感想首先，微型化学实验的仪器小巧，使得学生对仪器的外形，材料等赶到新奇，利于激发学生学习化学的兴趣；其次，很多微型实验设计很巧妙，操作简便，利用生活中的材料便可进行简易实验装置的组装，学生在课下可以根据个人的兴趣爱好自行操作，将课堂延续到课下，贴近学生的生活，很好地培养的学生的学习兴趣；再者，微型化化学实验的药品用量少，既节约了学校的教学经费，学生在实验过程中的危险程度也大