用三个培养皿，进行气体微型化学实验

用三个培养皿，进行气体微型化学实验孙黎颖上海市上海师范大学附属中学200234摘要三个培养皿气体微型实验使用自制试纸，水贴法等简单创新技能，在大中小三个培养皿里，同时完成氯气等有毒有害气体的制取，反应和吸收实验。这个微型实验绿色环保，仪器简单，操作简便，反应迅速，经济成本低，综合性强，易推广。关键词三个培养皿，试纸，气体微型实验，绿色环保气体化学实验在人们正确认识物质世界中发挥了重要的作用。拉瓦锡用“二十天实验”发现了氧气，同时还终结了盘踞在人们头脑中近100年的燃素说。气体的神秘性质激发了一代代化学家的好奇心。随着化学实验的进步，气体的面纱被逐渐揭开。近30年来出现的微型化学实验，大大地方便了老师和学生在课堂上认识一些有毒有害的气体。微型化学实验简写为ML，崛起于20世纪80年代，是国际公认的在微型化的条件下，对化学实验创新和变革的一种新技术和新方法，即用尽可能少的药品来获取最有效的实验信息。它具体是指药品用量少一般为常规量的1/101/1000、仪器容量小、成本低、基本无污染、操作简单、方便省时、现象明显，安全的化学实验。ML不是常规实验的简单的缩微或减量，而是在绿色化学理念指引下，化学实验创新性的变革。微型化学实验因良好的教学功能和效果，受到国内外化学界的青睐。气体微型化学实验，顾名思义，就是研究气体的制备，性质和气体有关的的微型化学实验。气体实验在中学化学实验中占据了很大的比例。现在有多种气体微型化学实验方法，如ALYEA，VIKTOROBENDRAUF和BRUCEMATTSON等人的针筒注射器法，SLATER，RAYNERCANHAM，周怀宁等人的井穴板法，KVITTINGEN和VERLEY的离心管法，PERODDEGGEN和LISEKVITTINGEN的培养皿电解法，MARTINMFCHOI（蔡明发）的培养皿法，JAMESKILROY和MARYVIRGINIAORNA的胶头滴管栅试管法，ANDREASKOMETZ的微缩启普发生气单体法等。本文提出的三个培养皿气体微型实验，是以MARTINMFCHOI（蔡明发）的培养皿法为基础改进而成。它不仅能完成氯气的多种实验，而且还可以拓展到许多的气体实验，如SO2,H2S,NH3,CO2,NO,N2O4等。一培养皿气体微型实验的方法和现状MARTINMFCHOI（蔡明发）在2002年首先提出了用培养皿做氯气微型实验的方法。该实验的主要仪器是一个带盖子的培养皿，如图1。培养皿的中间是一滴漂水，四周的反应物每样各一滴。向漂水中加入一滴H2SO4溶液后，盖上培养皿的盖子。该实验设计十分巧妙，在小小的培养皿中同时完成氯气制取和性质的反应。它颠覆了传统的操作烦琐污染严重的氯气实验方法，这是气体化学实验的一次重大创新和突破。然而该实验仍存在明显的不足首先，各种溶液滴在培养皿底部很容易混合，影响实验现象。其次，反应时，虽然盖住了培养皿，但因盖子密封不严，氯气仍有可能向外扩散。再次，处理多余的氯气时，必须掀开培养皿的盖子倒入NAOH溶液，易危害人和环境。因此，在MARTINMFCHOI（蔡明发）实验的基础上，又不断涌现了许多改进实验。典型的方法有两种方法一培养皿（表面皿）和玻璃片法，如图2。把KBR等反应溶液滴在玻璃片上，围成半径小于培养皿的圆形，圆心放置KCLO3晶体，滴加浓盐酸后，立即将培养皿盖好。方法二培养皿和井穴板法，如图3。这种方法专门制作了一个类似果盘的圆形的井穴板。圆形井穴板的正中央有一个大井穴，旁边有几个小井穴。大井穴中制备气体，小井穴中滴入各种反应溶液。圆形井穴板放在培养皿内能有效地避免各种溶液混合，但还是无法解决氯气外逸等问题，而且在我国大陆地区很少见到这种特别制作的圆形井穴板。另外，图2图11滴FE2溶液1滴漂水和1滴硫酸溶液1滴KI溶液1滴NA2SO3溶液1滴葡萄汁培养皿为清楚地观察现象，这个实验还要辅以白瓷砖，灯箱，放大镜等设备。综上所述，这些方法仍然不能彻底解决MARTINMFCHOI（蔡明发）培养皿实验的缺点。而本文提出的三个培养皿气体微型实验则可以有效地解决这些难题。二三个培养皿气体微型实验简介三个培养皿气体微型实验的特点之一增加了培养皿的数量。一个培养皿改为三个培养皿，从而形成了完整的气体发生，反应和吸收体系，避免了污染。特点之二改革了实验的操作技能，用滤纸和水把各种和氯气反应的溶液固定在封闭的空间（培养皿）顶部，这样有效地避免了以往实验中溶液混合的缺点。这种技法还替代了井穴板等特殊仪器，而且使实验现象更明显实验过程更完全。特点之三更加充分地利用了气体扩散的性质。该实验两次利用气体扩散的原理。气体向上扩散后，和各种物质反应体现气体的化学性质。气体向下扩散后，和吸收尾气的溶液反应。无须打开装置就能处理多余的气体，不会造成二次污染。（一）三个培养皿气体微型实验的简介1固定的成套实验仪器一个大号培养皿（160MM），一个中号培养皿（90MM），一个小号培养皿（60MM），滤纸，玻璃棒，白纸，30ML蒸馏水滴瓶，剪刀，乳胶头，60ML瓶球形胶头滴管，各种反应试剂溶液。2三个培养皿的功能小号培养皿气体发生装置。反应类型有固体和液体反应，液体和液体反应，或液体挥发形成气体。中号培养皿气体反应装置。各种和气体反应的物质用滤纸和水固定在中号培养皿内侧的顶部，如图4。例外情况，反应没有明显的颜色变化，如无色溶液变为白色沉淀，则该反应物质放置在乳胶头中，乳胶头再放置在小号培养皿内。圆形的井穴板作为反应碟井穴板和培养皿的组合图3图4反应物的试纸中号培养皿大号培养皿尾气的吸收装置。大号培养皿内盛放吸收多余气体的溶液。3培养皿的搭装方法如图5，小号培养皿口向上，放置在大号培养皿中间。中号培养皿倒扣在小号培养皿上方。三用三个培养皿气体微型实验，进行氯气化学性质的实验氯气是人类历史上使用的第一种人造毒气,黄绿颜色，刺激气味，对人体有害，易污染环境。但15000多种含氯化合物大大地改善了生活和社会环境，在人类的社会活动中发挥了重要的作用。在传统实验中，氯气实验室制法必须在通风橱中进行，操作繁琐，仪器笨重难清洗。氯气演示实验时，污染很大，刺激性气味弥漫了整个教室，学生易产生恐惧心理。这个微型实验操作简便，对环境基本无污染，同时完成了氯气的制取、氯气的氧化性、酸性、漂白性等实验，迅速有效地实现了多重实验目标。1实验原理小号培养皿氯气的制取。本实验采用漂白粉和浓盐酸制取氯气。漂白粉是白色的粉末，工业上用碱吸收氯气制成。它的成分是次氯酸钙和氯化钙，有效成分是次氯酸钙，有效氯高达35。次氯酸钙和浓盐酸反应时，无需加热等其他条件就能很容易地制得氯气。CACLO24HCL浓CACL22CL22H2O中号培养皿氯气化学性质的各种反应。（1）氯气的氧化性。氯原子最外层有7个电子，氯气具有很强的氧化性。氯气和KI,KBR等反应可以置换出卤族单质。单质碘的特性是遇淀粉溶液变蓝色。溴溶液为黄色。氯气可以把二价铁离子氧化成三价铁离子，检验的方法是KSCN溶液遇三价铁离子后变成血红色。CL22KII22KCLI25CL26H2O2HIO310HCL图5吸收尾气的溶液吸收尾气的溶液产生气体的反应物乳胶头大号培养皿中号培养皿小号培养皿CL22KBRBR22KCL3CL26FESO42FE2SO432FECL3FE33SCNFESCN3血红色（2）氯气的漂白性。氯气溶于水形成的氯水有漂白性。氯水使置换出的卤族单质和红色鲜花褪色CL2H2OHCLOHCL2HCLO2HCLO2大号培养皿氯气的吸收。氯气有毒，必须用氢氧化钠溶液反应消耗尽多余的氯气。产物次氯酸钠是“84”消毒液的有效成分反应废液可以用来冲洗厕所。滴入酚酞的NAOH溶液由红色变为无色,反应后红色消失。2NAOHCL2NACLNACLOH2O2实验材料一个大号培养皿（160MM），一个中号培养皿（90MM），一个小号培养皿（60MM），饱和食盐水，淀粉KI试纸，红色鲜花瓣，滤纸，玻璃棒，60ML球形胶头滴管，剪刀，,漂白粉，37的浓盐酸，10的KBR溶液,05MOL/LNAOH溶液,1MOL/L的KSCN溶液,新制的20的FESO4溶液，酚酞试剂3实验原理图实验纵切面图，如图64实验步骤1向大号培养皿内倒入饱和食盐水，溶液高约3MM。2用滤纸擦干中号培养皿。3中号培养皿底部外侧用记号笔标明各种试纸的名称。4自制多种反应物的试纸，再用水等液体把这些试纸固定在中号培养皿内。在中号培养皿的内侧底部，用水等液体分别贴上大小约2CM1CM的各种试纸。各种液体浸满试纸。如图7，分别为NAOH溶液漂白粉和浓盐酸图6光照湿润的淀粉KI试纸。在中号培养皿内侧的底部放一条规格约2CM1CM的淀粉KI试纸，然后用胶头滴管滴1至2滴水。红色的鲜花花瓣。在培养皿的边缘滴1滴水，然后贴一片红色的鲜花瓣。自制的KBR试纸。制作KBR试纸的方法在培养皿内侧的底部放上一条2CM1CM的滤纸，然后在上面滴1至2滴KBR溶液。自制的FESO4和KSCN试纸。制作FESO4和KSCN试纸的方法在培养皿内侧的底部放一条2CM1CM的滤纸，然后在上面滴新制的FESO4溶液和KSCN溶液各1滴。各种试纸都贴在中号培养皿内侧圆形底的边缘。可以用玻璃棒适当调整试纸的位置，使各种试纸成正多边形，这样与各种试纸反应的氯气浓度基本相同。5向小号培养皿中加入半药匙漂白粉，约02G,然后把小号培养皿放到大号培养皿中间。6向小号培养皿中快速滴入1滴管浓盐酸约1ML后，迅速用中号培养皿倒扣住小号培养皿，如图6。7观察现象。图7湿润的淀粉KI试纸红色的鲜花瓣自制的KBR试纸自制的FESO4和KSCN试纸中号培养皿8向大号培养皿滴中入1滴酚酞，再倒入NAOH溶液，液面增高约3MM,再继续观察现象。9这个装置放置3至4个小时后，小号培养皿内的黄绿色气体基本会自动消失。如要迅速处理多余的氯气，则戴上橡胶手套，盖上大号培养皿的盖子，双手紧握培养皿，轻轻振动，10S后，黄绿色的气体基本消失。实验现象化学试剂现象培养皿半药匙漂白粉和1滴管浓盐酸迅速产生明显的黄绿色气体，顶部有许多小水珠，说明这是放热反应。3H后黄绿色逐渐消失小号湿润的淀粉KI试纸2S后变蓝色，50S后褪色中号红色的鲜花花瓣20S后褪色中号湿润的KBR试纸2S后变为浅黄色，60S后褪色中号混合FESO4和KSCN溶液的试纸20S后变血红色，3MIN后褪色中号NAOH溶液滴入酚酞的NAOH溶液由红色变为无色大号（10）对比实验1用水替代浓盐酸重复该实验，观察现象。培养皿没有出现明显的变化。（11）对比实验2小号培养皿中只放入浓盐酸重复该实验，观察现象。培养皿内没有出现明显的变化。5安全事项漂白粉粉尘对眼结膜及呼吸道有刺激性，皮肤接触可引起中至重度皮肤损害。浓盐酸在空气中极易挥发，对皮肤和衣物有强烈的腐蚀性。氯气有毒。所以建议在通风橱中操作该实验。如不能在通风橱中操作，滴加浓盐酸时，最好屏住呼吸，迅速盖上中号培养皿，防止吸入有毒有害气体。6实验说明1小号培养皿和中号培养皿之间必须有缝隙。2本实验选用轻薄的鲜花花瓣以便褪色迅速。3）操作4中，用水等贴各种试纸时，如果操作不慎，滴入的液体太多，溢出试纸，可以用滴管或干净的滤纸吸取掉多余的液体。或者用玻璃双面胶分隔各种试纸。4大号培养皿中先倒入饱和食盐水的目的是收集浓度较高的氯气以便反应迅速充分。5漂白粉在日常生活中较常见，并且有效成分比八四消毒液高。从这个实验得到启示，家中的漂白粉以及八四消毒液不能和酸性的去污剂如洁厕液等同时使用。6这个装置稍微改动，就可以很方便地为教师演示实验制备少量的氯水。三个培养皿放置在玻璃水槽或塑料盆中。其中，小号和中号培养皿口向上，大号培养皿口向下。小号培养皿内是漂白粉和浓盐酸，中号培养皿中是水，玻璃水槽中是NAOH溶液。制备氯水的装置如图8。四用三个培养皿进行氯气化学性质微型实验的优点该微型实验组合了三个培养皿，创新实验操作技能，合理选择化学试剂，既吸取了同类实验的优点又有所改进。1以人为本，绿色环保。这个实验中生成的氯气，向上扩散被中号培养皿阻挡，向下扩散则和NAOH溶液反应。一滴管的浓盐酸产生的氯气约为7103MOL,而05MOL/L的NAOH约为50ML，理论上可以和125103MOL的氯气反应，NAOH溶液大大过量，有效保证了氯气不会外泄。吸收尾气的废液反应后的含有NACLO，可以再次利用冲洗厕所。气体当场制备，当场消耗，当场吸收，这样就避免了传统方法因大量制备储存氯气造成的潜在危险和污染。它符合微型实验的3R原则（REDUCE,RECOVERANDRECYCLE减量化、再利用、再循环），从实验源头减少废物,大大改善了实验室的空气质量，创造了愉快的实验氛围，能够帮助学生和老师体验到了什么叫绿色化学。图8NAOH溶液水漂白粉和浓盐酸玻璃水槽2现象明显，高效多产。化学是以实验为基础的自然学科，实验需要一些实践的经验和技能，该实验创新了实验操作技法。在这个实验中，自制各种反应溶液的试纸，并用水贴法和倒扣中号培养皿法，使反应物“上天”。这不仅避免各种溶液混合，而且增大了反应的面积。改进前的液滴面积最多为05CM05CM，改进后试纸的面积是2CM08CM,还可以根据具体需求扩大试纸面积。这不仅明显地观察到各种试纸和氯气反应时变色的现象，而且还可以观察到试纸变色后又被氯水漂白的现象。化学实验中完整的变色现象更符合理论推断。它以最低的经济成本，综合了多个反应，达到了实验现象最大化的需求，有效地支持了化学课程建设。3简单方便，容易推广。这个微型实验使用的培养皿，滤纸等都是实验室常规的简单小型仪器和物品，仪器微型化，试剂微量化，节省了仪器和化学试剂的存储空间，大大地降低了实验室的成本。实验没有搭装等烦琐的操作，没有加热，火灾和爆炸的危险，大地提高了实验室的安全性，对师生都很安全。它缩短了实验的准备时间，反应时间，仪器的清洗时间，。这个反应很迅速，除尾气吸收需要较长时间外，主要的实验现象在3分钟内都可以呈现。所以，教师上课时在投影仪下做这个实验，在短时间内就实现了多个实验信息和结论。4学生操作，简单环保。这个实验简单安全，残疾人也可以操作，学生也能亲自动手。它提供了清洁高效有益的环境，改变了人们学习化学时的心理。实验中，除滴加浓盐酸时外，整个实验过程不会闻到刺激性气味。氯气在培养皿组中，像困在笼子里的魔兽被牢牢制服了。学生消除了恐惧的心理，安全地观察现象，静坐看云起云涌（黄绿色的氯气出现又消失），静观花开花落（各种试纸出现颜色变化又褪色）。学生学会了废物最小化的技能，这种思想会贯穿他们的一生。这个实验把一个培养皿改为三个大中小号的培养皿，实验的体系也更严谨，这有助学生形成严谨科学的思维。学生能亲手做实验，激发学生的兴趣，学会辨证地分析实验现象，老师和学生有更多的时间评价交流。五用三个培养皿，进行其他气体的微型实验培养皿虽小，但“方寸”之间，却大有作为。这个实验还能延伸到其他气体实验。这个微型装置，同样也可以完成SO2,H2S,NH3,CO2,NO,N2O4等多种气体的实验。具体操作过程与氯气的微型实验类似，就不一一赘述。其中，对变色不明显的溶液，采用了乳胶头盛装的特殊处理方法，也达到了满意的实验效果。1二氧化硫的微型实验（1）二氧化硫的化学性质化学试剂现象培养皿半药匙NA2SO3粉末和1滴管3MOL/L迅速产生明显的气泡,气体无颜色小号的H2SO4溶液湿润的PH试纸5S后黄绿色的试纸变为橙红色中号KMNO4和稀硫酸溶液的试纸5S后红色褪色中号品红溶液1MIN后红色褪色小号培养皿里的乳胶头中NAOH溶液滴有酚酞的NAOH溶液由红色变为无色大号反应结束后，加热褪色品红，无色的溶液又变成红色。（2）模拟酸雨实验化学试剂现象培养皿半药匙NA2SO3粉末和1滴管3MOL/L的H2SO4溶液迅速产生明显的气泡,气体无颜色小号蒸馏水（模拟湖泊）反应前测第一次PH值，反应后测第二次PH值，加入少量石灰石，测第三次PH值。小号培养皿的乳胶头中MG条光亮的MG条部分颜色变灰小号培养皿里的乳胶头红色的鲜花瓣5S后红色褪色中号绿色的草叶1MIN后绿色褪色中号NAOH溶液滴有酚酞的NAOH溶液由红色变为无色大号2氨气的微型实验（1）氨气的化学性质化学试剂现象培养皿1滴浓氨水，浓氨水挥发形成氨气无明显现象小号湿润的CUSO4试纸10S后变浑浊样的浅蓝色，再变成深蓝色中号湿润的红色石蕊试纸10S后变蓝色中号湿润FENO33试纸10S后浅棕色变深中号ZNSO4溶液2MIN有白色沉淀小号培养皿里的乳胶头稀盐酸溶液无明显现象大号（2）氨气和浓盐酸形成白雾在小号培养皿的两端分别滴1滴浓氨水和1滴浓盐酸，两种溶液不混合。化学试剂现象培养皿1滴浓氨水和1滴浓盐酸白雾小号无无中号水无明显现象大号3硫化氢气体的微型实验硫化氢气体和二氧化硫气体的实验化学试剂现象培养皿少量NA2SO3和NA2S的固体混合物，一滴管3MOL/L的H2SO4溶液白色固体上迅速出现黄色小号无无中号NAOH溶液滴有酚酞的NAOH溶液由红色变为无色大号4铜和硝酸的微型实验铜和硝酸加热的实验，可以先把硝酸加热，然后在滴入小号培养皿中。综上所述，三个培养皿的微型实验，通过思维，技能等创新，形成了一种全新的气体化学实验方式。微型实验不在乎奇而贵乎新。改进实验