应用启普发生器原理进行实验创新的研究天津江兰芹

应用启普发生器原理进行实验创新的研究

江兰芹

北京师范大学天津附属中学 天津 300222

摘 要：在制取有毒气体、无毒气体及其性质的实验中，在定量测定浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率影响的研究中，应用启普发生器原理进行实验创新，增强验证性实验的探究性 ,从而更好地启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观。

关键词: 启普发生器原理 实验创新 实验探究 一、提出课题

化学学科的重要特征之一就是以实验为基础。化学实验能够激发学生学习化学的感知兴趣和操作兴趣，从而有助于教师引导学生规范操作、仔细观察、积极思考、分析研究变化的实质、概括得出结论；化学实验能够激发学生的探究兴趣和创造兴趣，从而更好地发展学生的想象力和创造精神，推动学生形成较高的科学素养；化学实验能够创设生动活泼的教学情景，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观。

实验创新是一种基于实验的探究活动，从实验教学的外显形式来看，它不仅包括探索性实验，而且还包括验证性实验。当前的化学实验教学改革，尤其要注意增强验证性实验的探究性。它对于促进学生科学素养的全面发展，有效落实化学课程目标，具有不可替代的作用

[1]

。

气体制备实验是培养学生实验能力重要的一方面，引导学生探究其原理、装置的特点，

不难发现依据制取H2、O2、Cl2、H2S、SO2、CO2、NO、NO2、C2H2等气体的反应原理，均可选择固-液不加热型装置。在诸多形式的装置中，启普发生器应是首选。这是因为启普发生器具有鲜明的优点：方便快捷并能控制反应随时发生、随时停止。但是，药品用量大、反应过于剧烈及放热过多等问题也限制了启普发生器的广泛使用。如何改进才能拓展其优点，提高其实用价值，使其成为教学中培养学生探究能力的重要载体？下面便是应用启普发生器原理，对有关的一些实验进行改进创新，进行实验探究的研究过程和收获。

二、实验研究的装置设计

组织学生讨论启普发生器的工作原理，要求每组学生在给出的仪器中选出部分仪器组装成能够随时发生、随时停止的气体发生装置。经评价总结得到下列简易装置：

在此基础上，进一步引导学生发散思维，查阅相关资料，得出下列装置：

[2]

关于上述装置的一些说明：

(1)由于装置中的硬质玻璃管耐热,所以克服了实验室中常用的启普发生器不能加热、不能用于放出大量的热的反应的局限性，如：用于制取NO2、C2H2（注意要将CaC2用带2-3个小孔的塑料包好）；

(2)由于硬质玻璃管的长短可自由选择，所以克服了所需反应液多少不好控制的局限性。 (3)由于硬质玻璃管粗细均匀，可标记上体积刻度，所以可用于定量测定。

以下是笔者和学生一起，应用启普发生器原理进行实验改进创新和实验探究的几个典型例子。

三、实验创新及探究活动

探究1 铜与浓、稀硝酸的反应及其气体产物的性质实验

（1）课本上常规实验如右图所示。实验时发现有如下几点不足：a.装置左边的试管中有空气，易使产生的无色NO生成NO2，影响气体产物的判断；b.难以及时终止铜片和浓、稀硝酸的反应，从而造成污染程度大；c.难以收集产生的气体，无法连续进行气体的其它性质的实验探究。d.铜与浓、稀硝酸反应不能在同一装置中连续进行，且铜与稀硝酸的反开始缓慢，耗时较长。

（2）改进实验

对于有毒气体（NO2、NO、H2S等）的制取及其气体性质实验，既要控制反应的随时发生和停止，又要便于废气和废液的处理。此装置可以改变原使用的仪器和试剂的用量，达到既保护环境，同时又增加了实验的观赏性效果。

实验用品：硬质玻璃管（约20cm）、普通漏斗1个、弹簧夹K1、玻璃活塞K2、单

孔塞、铁架台、镊子、打孔到一半的胶塞、注射器 (20 mL)3个、蒸馏水、浓硝酸（69%）、铜片、饱和NaOH溶液。

实验步骤、现象及结论解释： ①铜与浓硝酸的反应：

组装如上图所示装置，检查气密性后，在右侧管中加入约1 g的铜片(见图1)，由漏斗加6 mL 15.6 mol/L（约69%）浓硝酸至没过支撑体，铜片立即与浓硝酸反应，产生的红棕色NO2气体将右侧管中的空气徐徐排出(见图2)，至满时立即关闭K2，气体将溶液压进左侧漏斗中。铜片被支撑网拖住，反应即刻终止。关闭K1，则得到了一定体积的NO2。当再依次打开K1、K2时，浓硝酸又与铜片接触立即反应，这样便可达到随时控制NO2的产生和停止的目的。塞上胶塞M（打孔到一半，便于后续实验操作）。

接下来可以连续做铜与浓硝酸反应产生的NO2气体的性质实验： Ⅰ.压强、温度对2NO2

N2O4反应化学平衡移动的影响：用注射器针管收集一定

体积的NO2,堵上胶塞,抽、拉气体或将针管置于热水、冰水中，对比观察气体颜色的变化。

Ⅱ.NO2与水反应产物的性质：在K2导管处放入湿润的KI淀粉试纸，打开K2，试纸变蓝(见图3)，说明NO2有氧化性。在实验Ⅱ后，打开K2，由胶塞M处，用注射器1推入1 mL水，发现红棕色变浅(见图4)，打开K1、K2，再用注射器2推入适量氧气(或空气)，气体又迅速变深红棕色(见图5)，说明NO2易与水反应且产物中有NO生成。

②铜与稀硝酸的反应：

在上述实验后，再用注射器1由漏斗处推入50 ℃ 15 mL热水（事先约算好混合体积和稀释后的硝酸浓度），打开K1、K2，由胶塞M处反复推拉注射器1，使整个装置中溶液混合均匀，得到约4 mol/L的稀硝酸(见图6)，同时抽出多余气体，并吸入空气，用氢氧化钠溶液吸收，避免多余气体干扰后续反应中产生的气体性质的检验。

关闭K2，铜片与稀硝酸较迅速反应，产生无色气体(约1分钟后见图7)。此反应利用了上述铜与浓硝酸反应放出的热量和加入的热水提供的能量，加快了铜与稀硝酸反应的速率。

接下来可以仿照实验Ⅱ连续做铜与稀硝酸反应产生的NO气体的性质实验，如推入氧气（或空气），观察无色气体变为红棕色(见图8)，从而进一步说明铜与稀硝酸反应产物气体成分为NO等。

③尾气、废液的处理：

在上述实验后，打开K1、K2，由胶塞M处用注射器3慢慢注入适量的饱和NaOH溶液（约20 mL），红棕色气体NO2很快消失，若试管中残余是无色NO气体可先推入空气再加碱液，再抽取试管中残余无色气体后吸入空气，气体颜色不再变化(见图9)，说明碱液已将有毒气体吸收完全。这不仅进行了尾气吸收和废酸处理，还说明NO2（或NO2和NO混合气）能与碱溶液反应。

(3)实验特点：

此实验铜与浓、稀硝酸是在无空气干扰的环境中进行的，避免了气体产物和空气的直接接触，避免了氧气对气体产物判断的干扰，且能连续进行铜与浓、稀硝酸反应产物气体的一系列性质实验探究;整个反应均在密闭体系中进行，很好地解决了有毒气体的污染问题. 附图：

图7

图8

图9

图4

图5

图6

图1

图2

图3

探究2 钠与水反应

(1)人教版必修1实验3-3如右图所示。实验时发现有如下几点不足：a

钠与水在空气

中直接反应，容易爆炸；b 产生的氢气难以收集，或须要想办法收集、点燃等。

(2)改进实验

此装置可作为启普发生器原理的装置使用（如下图），制取少量无毒气体，如：制取H2、CO2等，可放飞氢气泡，用CO2灭火等，增加实验的趣味性，更可贵的是：在探究过程中发现了反常规现象—介电常数(解释在后边)，这极大地激发了学生的探究兴趣，培养了优秀的科学素养。

实验用品：1个硬质玻璃管（20cm）、普通漏斗、弹簧夹、单孔塞、铁架台、干燥的小烧杯、小刀、镊子、滤纸、钠块、蒸馏水、酚酞试液、火柴、乙醇、乙酸等

实验步骤：

组装如图所示装置，关闭弹簧夹，由普通漏斗注水入硬质玻璃管中，检查气密性后，打开弹簧夹，继续加水至满，钠与水接触立即与水反应，产生的氢气将水压进漏斗。待气体体积到达铜网处，钠块被铜网拖住，反应停止，打开弹簧夹，针头上方罩一干燥的小烧杯，点燃氢气。最后，打开单孔塞，往溶液中滴入酚酞试液。 (3)实验特点：

实验中用水将硬质玻璃管内空气排尽，避免了氢气和空气接触爆炸，且立即就能观察到所有应有现象和放飞氢气泡。另外图中装置能使收集到的氢气压强较大，且将尖嘴改为注射器针头可产生较长时间的火焰。

(4)实验的拓展与应用：利用上述装置及钠可以做多种实验的探究

①钠（或钾等活泼金属）置换液态物质中的活泼氢的对比实验。如：钠（或钾等活泼金属）与水、醇类（乙醇等）、酸类（盐酸、不同浓度的醋酸等）的反应现象及速率实验对比，反应原理如下：

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑（钠浮在水面上）（见图1-图3）

2Na+2C2H5OH→2C2H5ONa+H2↑（钠沉在液面下）（见图4） 2Na+2CH3COOH→2CH3COONa+H2↑（钠浮在液面上） 附图：

附：产生20 mL H2所需时间记录如下：

图4

图1 钠与水反应生成

了一定量的气体

图2 生成的氢气点燃

图3 反应后的溶液加入酚酞试液变红

以上实验数据说明：同种活泼金属与水、乙醇、纯醋酸反应的速率依次减慢，这与我们

在课上讲的钠与醋酸比钠与水反应速率大，产生了极大的矛盾，从而激起了学生极大的探究兴趣，经咨询大学老师和上网查证，原来这几种物质不能用“酸碱质子理论”来解释，需用“介电常数”来解释。(互动百科网查得介电常数：水 81.5，乙醇 24.5， 醋酸 6.15)

②钠与酸（如浓盐酸）、碱（如饱和NaOH溶液）、盐溶液（如饱和CuSO4溶液）的实验对比，反应原理如下：

2Na+2HCl=2NaCl+H2↑（钠浮在水面上,有白色沉淀产生）

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑（钠浮在液面上，有白色沉淀产生）(钠与NaOH溶液反应的本质是钠与水的反应)

2Na+2H2O+ CuSO4=Na2SO4+H2↑+Cu(OH)2↓（比与水反应更加剧烈，另外有蓝色沉淀）

附：产生20 mLH2所需时间记录如下：

实验说明：由于钠块大小、及钠块与空气接触的时间等因素的影响，这些实验数据还需进一步控制变量，进行较精确的测定。现正处于查找资料、猜想、假设、设计实验、有待于实验验证的阶段。

探究 3 化学反应速率概念的建立和浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响 (1)人教版普通高中课程标准实验教科书《选修4》 P18的实验如右图所示。实验时发现的问题：①.产生气体速率不稳导致推气筒迸出计时困难②.此装置不能随时控制锌粒和稀硫酸反应的发生与终止，从而造成实验数据偏差较大等。

(2)改进的实验

从量的方面研究物质组成和化学反应具有非常重要的意义，树立“量”的概念，有利于提高学生的分析问题和解决问题的能力，并能培养学生严谨细致、务实求真的科学精神。

此装置能随时控制反应的发生和停止，操作更加简单，数据更加准确,说服力更强。且能多次重复实验或在多个平行班进行实验，这样可节约药品，同时也节省了实验时间.

实验用品：2个硬质玻璃管（20 cm）、2个普通漏斗、2个弹簧夹K1、2个玻璃活塞K2、2个单孔塞、2个铁架台、4mol/L稀硫酸、1mol/L稀硫酸、颗粒大小均匀的锌粒。

实验步骤、现象、数据记录与分析：

①化学反应速率概念的建立及浓度对反应速率的影响——锌与不同浓度稀硫酸的反应：(见图1-图4)

安装好如上图所示甲、乙装置，检查气密性后，分别在两个硬质玻璃管中加入约1 g颗粒大小均匀的锌粒，再从漏斗处分别加入1 mol/L和4 mol/L稀硫酸至充满硬质玻璃管，（锌粒立即与稀硫酸反应），立即关闭K2，同时开始计时，随着反应的进行，气体逐渐将酸液压进

漏斗中，锌粒被支撑网拖住，当锌粒与酸液分离时反应即刻停止，计时结束。这样就测得了产生一双口试管（20 mL）气体所需时间。再按上述步骤重复进行实验。得到如下数据：

实验记录表：

对比锌粒分别与1 mol/L和4 mol/L稀硫酸反应的速率，得知：用产生一定量气体体积所需时间来测化学反应速率较好，引导学生建立起化学反应速率的概念，同时此实验还说明增加反应物浓度可加快反应速率。

附图：(左管中为1mol/L稀硫酸，右管中为4mol/L稀硫酸，)

图1

图2

图3

图4

②温度对反应速率的影响——锌与不同温度稀硫酸的反应：用和①相同的装置和方法，测定在不同温度下（将硬质玻璃管用保温泡沫包好或将装置放在不同温度的水浴中进行保温）锌粒与1 mol/LH2SO4分别反应生成20 mL H2所需要的时间。得到如下数据：

不同温度时，锌粒与1 mol/LH2SO4反应生成20mLH2的实验记录表：

实验说明：由于锌粒大小难以保证绝对相同，环境温度保持不变也难以实现，所以，实

验数据的说服力受到影响，基于这些因素，此实验只能算半定量实验。但由此得出：升高温度，可以加快反应速率的结论，还是很确切的。

③催化剂对化学反应速率的影响—不同催化剂与10%双氧水的反应：

安装好如①所示图甲装置，检查气密性后，从漏斗处加入10%双氧水至充满硬质玻璃管（为操作方便留0.5cm空隙较好），打开胶塞，加入事先称量好的二氧化锰，立即赛好胶塞，同时开始计时，随着反应的进行，气体逐渐将双氧水压进漏斗中，当液面到达支撑网处时计时结束。这样就测得了产生一管（20 mL）气体所需时间。再按上述步骤重复进行实验及其它催化剂与双氧水反应的实验。得到如下数据：不同催化剂、不同状态、不同浓度时，分别与

的实验记录表：(室温27℃)

附图：

图1：与MnO2(s)

实验说明：

图2：与4.4mol/L

饱和FeCl3溶液

图3：与4.4mol/L饱和CuCl2溶液

Ⅰ、等质量固体的选取：实验表明当取托盘天平所能称得的最小量—0.2g时，与二氧化锰反应太快（约5s），同时又不能太少（否则与FeCl3·6H2O、CuCl2·2H2O反应太慢），因此选取了0.15g.(最好用分析天平称量)

Ⅱ、录像问题：基于操作方便及催化效果的要求，选取了反应时间较为合适的几个代表实验进行了完整录像。(在此文中只能用几个代表图片表示，见上边的附图)

由表中实验数据可得出下列结论：

Ⅰ、由实验①②③可知：同质量的不同催化剂对同浓度双氧水的催化效果不同，即：二氧化锰催化效果最好，氯化铁晶体次之，氯化铜晶体最次；

Ⅱ、由实验②③可知：同浓度的不同催化剂的溶液对同浓度双氧水的催化效果不同，即：4.4mol/L（饱和）氯化铁溶液较好，4.4mol/L（饱和）氯化铜溶液次之；

Ⅲ、由实验④⑤⑥或⑦⑧⑨可知：不同浓度的同一催化剂对同浓度双氧水的催化效果不同，即：浓度越大催化效果越好；（由表中时间数据可知：浓度也不要太小，否则催化效果不明显）

Ⅳ、由实验⑥⑨⑩可知：阴离子Cl-、SO42-对双氧水的分解没有明显影响，真正对双氧水分解起催化作用的是阳离子Fe3+、Cu2+。（根据实验变量控制的原则，人教版普通高中课程标准实验教科书《选修4》P23科学探究1的实验，应改为：0.1mol/L的FeCl3溶液与0.1mol/L CuCl2溶液或0.05mol/L的Fe2（SO4）3溶液与0.1mol/L CuSO4溶液进行对比）

Ⅴ、由实验中观察到的现象可知：同一物质在不同状态下对双氧水催化效果的影响不同，由于固体和液体在溶液中的溶解度和扩散速率的差异较大，所以，说理性不强，因此，实验时最好不用。

与此实验有关的探究实验：（以下实验均在试管中进行：固体为少许，10%双氧水为1—2mL）

Ⅰ、在实验过程中发现：氯化铁溶液与10%双氧水混合，溶液颜色加深（变红褐色），由此推测是Fe3+水解生成了Fe(OH)3,于是进行了下列实验：让Fe(OH)3、Cu(OH)2、NaOH

分别与10%双氧水反应，均能加快双氧水的分解。

Ⅱ、Fe2O3、CuO、Ag2O分别与10%双氧水反应,结果发现：Fe2O3、CuO与10%双氧水无明显现象，Ag2O与10%双氧水迅速反应生成黑色固体和氧气（已经检验了产物和查证），Ag2O+H2O2 = 2Ag+O2↑+H2O.

Ⅲ、Fe粉、Cu粉、Ag与10%双氧水反应,结果发现：Fe粉、Cu粉与10%双氧水无明显现象，Ag与10%双氧水迅速反应生成氧气（已经检验了产物）.

Ⅳ、据前边的三组实验又设计了下列实验：取少量10%双氧水于试管中，加入少量AgNO3溶液，无明显现象，再加入少量氨水，立即产生大量气泡和黑色固体，气体能使余烬木条复燃，说明产生气体是氧气，经查证此时发生了Ag2O+H2O2 = 2Ag+O2↑+H2O。

由这些探究实验可体会到：对于催化剂的设计和选择的重要方法是依靠经验和采用筛选的方法，目前还没有成熟的理论。因此，需要我们继续发现和研究。

四、 教学反思

此实验历经改进、研讨、完善、考证等环节的多次反复探究，一年来使我深深体会到：研究的过程是一个教学相长的过程，在引导学生学习、理解、运用、拓展知识的同时，师生互动合作研究，在实验技能、科学精神、科学态度、科学研究方法等方面，提高了师生创新意识、创新精神和创新能力。与此同时，教师和学生都体会到了化学实验的乐趣和魅力，体验到了科学家在研究中的乐趣和投入到实验中的兴奋；那种发现问题、一步步解决问题的快感，是只有参与其中的人才能体会到的。在动手、动脑、深入到实验创新的研究过程中，我和学生深深的感受到：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”

总之，领会教育理念，不断学习，勇于探索创新，大胆实践，不断反思，善于总结，是新一轮课改赋予我们每位化学教师的职责和艰巨的任务。

主要参考文献：

[1] 化学课程标准研制组编写.普通高中化学课程标准（实验）解读[J].武汉：湖北教育出版社，2004,4:217---226

[2] 周冲.金属钠与水反应的实验改进.中小学实验与装备[J].2008,2:24

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