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第8章 实验仪器的制作和巧用(8)

根据对北京市海淀区(总的说是教育发达地区)的调查,发现各类中学的化学实验条件(实验室、仪器、经费等)差别甚大。有的学校虽有化学实验室,但无上、下水道,更不用说通风条件;有的学校全校无一台投影仪。再则实验室工作人员的缺乏和水平的限制,不可能在简陋的条件下创造条件为学生经常开出实验课和给学生做演示实验(教学检查除外)。此外采购所需的仪器,药品也是个极大问题。如海淀区永丰中学一老师要带着干粮,骑自行车行程几十公里到为数不多的几家商店采购化学实验用品。这在大城市尚能做到,但地处远离城市的中学即使有心也做不到。

若能为中学提供价廉、成套的微型化学实验箱,供教师做演示实验,学生做化学实验用,那么对真正提高化学实验开出率将会作出很大贡献,同时又能减轻教师事务性劳动的负担使其能专心搞好教学。

为此,北京科大姚迪民、杜凌、郑维冬、施威老师对现行初级中学化学教材中的实验进行了微型化的探索性研究。

初中学生做实验的微型化研究

初三化学教材中安排学生做八个实验,可分成三类。(1)基本操作训练实验。有粗盐的提纯、溶液的配制。(2)气体(氧气、氯气、二氧化碳)的制备及性质实验。(3)酸、碱、盐的性质实验。对这些实验的微型化所遵循的原则一是基本上符合教学大纲的要求;二是符合教育心理学原则,“使学生对所学材料有内在兴趣”。微型化过程中将化学实验与生活相联系,寻求生活中存在的、熟悉的材料代替陌生的化学药品、材料,使学生感到化学就在他们身边,从而激发学生学习化学的积极性。另外,尽可能开发实验本身的内涵,使学生通过较少量的实验在教师的指导下培养观察能力,分析问题和解决问题的能力。

关于基本操作训练的两个实验——粗盐提纯、溶液配制,可合并成一个“粗盐提纯”。先配制25%的“粗盐溶液”10克,用微型吸滤装置或小型漏斗(见附图1)过滤于20~25ml烧杯中;蒸发、结晶、固体与母液分离;再配制25%的“青盐溶液”5克;用Na2CO3饱和溶液和BaCl2溶液在井穴板或透明厚塑料膜上检验镁及硫酸根,比较“粗盐溶液”和“精盐溶液”

的纯度。

在教材中的气体制备用了固体热分解和固液反应两种方法。热分解法制取氧气,设计了三个鼓泡的试管。在三个鼓泡内分别装入KClO2、MnO2、KClO2+MnO2的混合物,分别加热。这样既可通过制得的氧气试验其助燃性,而且可同时说明MnO2的催化作用。

对于固液反应制取氢气、二氧化碳的装置改进成由学生参于制作、装置的气体发生管。

酸、碱、盐的性质实验,可在井穴板或透明厚塑料膜上进行,需加热的反应可在5ml试管中进行。在做这些实验时,除了用教材中规定的试剂实验外,还可用生活中的物品做实验。如酸、碱与指示剂作用实验,可以让学生自找白醋、面碱、小苏打(大部分学生家中都有的),试验它们与指示剂的作用。实验酸与金属作用,可试验牙膏,旧电池皮与酸的反应。酸与盐的作用实验,可让学生找蛋壳、水垢等。试验它们与酸的作用。这样做的目的是将化学与生活联起来。

初中化学演示实验微型化研究

初中化学教材中列出的演示实验有80多个。可分成两大类:一类气体的制取与性质实验;一类是固体、溶液的反应。

演示实验的任务是要学生能搞清教师是怎样操作的及实验的现象。太小了学生看不见就达不到演示实验的目的。

应用投影仪对第二类实验是有效的,但对第一类实验的效果不好,况且还有些学校没有投影仪。为此设计了“多功能演示架”(详见附图3)。“多功能演示架”中装有3或5放大镜,放大镜可以焦点为中心旋转90°。经试验在10米内视力在10以上的人可看清实验现象及操作。该演示架可拆装,并用角钢代替通常铁架台的底座,具有灵活、重量轻的优点。

对于在溶液中的反应和由固体与溶液反应说明化合物和单质性质的试验,可在5ml试管应用多功能演示架进行。

气体的制备实验,试验了为使全班学生均能看清的最小量,发现可用25ml的集气瓶代替现常用50ml的集气瓶。

关于“化学实验箱”

统计学生做的八个实验,只有七、八种固体药品、十几种溶液。微型化后,一学年每个学生仅需几克固体药品;一般的试剂溶液仅需几毫升,用的较多的酸、碱也仅需几十毫升。

学生用的“化学实验箱”内装有上述的化学药品,加上微型气体发生器、微型过滤器、几支5ml试管、几条投影仪用厚透明塑料膜等。那末配合学校现有的铁架台、酒精灯、试管夹、托盘天平,学生就能做现教材规定要做的所有实验。

统计现教材中八十多个演示实验所需药品、材料:固体20多种,溶液20多种,无法制备或大多数中学无条件制备的气体4种,实验器械或装置10多种。要找齐所需材料、药品开出全部演示实验,对于大多数无专人负责,没有一定积累的学校是不可能的。特别是一些乡村中学。所以设想有单位能为教师提供“演示实验箱”,箱内装有必要的实验器械、固体药品和溶液,必将受初中教师欢迎。

呼吁“结合”

通过对初中化学实验微型化的探索研究,感到这是件极有意义的工作。但我们是外行,不懂中学化学教育,不太了解初中化学教育的改革。呼吁有关部门牵头,由微型化学实验课题组的同志、中学教师及有关厂家参与把这工作深入下去。

酒精喷灯常见故障及维修

目前,许多中学实验室用酒精喷灯进行高温加工和化学实验。对于酒精喷灯的使用,不少参考书或实验手册虽有所述,但过于简略;对其结构也只画个外观图,读者看后仍不得要领。

金华教育学院楼启正老师,把酒精喷灯的结构和常见故障的排除简述于后。

酒精喷灯(挂式)的构造挂式酒精喷灯,除酒精储罐外,主要包括三大部分:底座,灯管和阀门(开关),详见右图。

这三部分由螺纹管连接,必要时可以拆卸。

灼热管(包括内填的灯芯)是一个汽化室。没有优质的灯芯,就不能使酒精全部汽化,喷灯就难以燃烧,这在喷灯制造中是十分重要的。灯芯既要有很强的吸湿性(毛细作用),又能耐高温,常见的是外面包裹铜网的石棉绳。现在市场上个别厂家往往忽视这一点,所生产的喷灯,内芯用棉纱线填充,它很易炭化。这样的喷灯就无法正常燃烧。

使用方法

实验教材和手册中都已讲清,此处从略。

常见故障的排除

(1)点燃时产生“火雨”。可能是灯管部分预热不够,酒精还没有全部气化。还有一个很重要的原因是灯芯太松或者炭化,也会使酒精气化不佳。对于前一原因只要充分预热就行;因灯芯不好而造成的“火雨”,就应该旋开灯管,使与底盘分开,清洗灯管、内芯或换上新的内芯。

(2)产生临空火焰。原因之一是酒精蒸气的喷出量太少,这是酒精喷灯烧不起的主要原因,而不少资料中往往不重视这一因素,此时一般要更换灯芯,使灯管内有一定量的酒精,并全部气化。原因之二是燃烧管上进风口太低,空气对流过大,即空气进入量太大。遇到这种情形,应使进风口位置抬高,接近火焰底部,以减少空气的对流。

(3)产生侵入火焰或打开后几乎无蒸气。主要原因是阀门或喷嘴开闭不畅,应把这部分旋开进行清理。如果开关头部不圆滑,还应进行细磨,使之与气孔吻合。

了解喷灯的构造,我们就能排除酒精喷灯的一些故障,使它成为化学工作者得心应手的工具。

可调温防风酒精灯

酒精灯是理科实验中最常用的加热仪器,它在使用中,灯焰经常摆动和跳动,很不稳定。另外,在有些实验,特别是有机实验中灵活地改变加热温度与保持恒温也是经常遇到的实验要求,但是,现有的酒精灯及其铁制灯罩却不能解决这个问题,而且,铁制灯罩还有诸多缺点:

防风效果差;使用不方便;分散热量;容易腐蚀等,为此,山东临沂师专化学系刘文修、李景崮老师研制出可调温防风酒精灯(见图)。

该灯只是在普通酒精灯上安装了一只特制灯罩,灯罩上部是耐高温透明玻璃,下部是由耐温塑料制成的风量器。该灯罩不仅具有良好的防风效果,还可以通过风量器灵活地调节火苗大小,从而使酒精灯具备一定的高温,并且能够方便地调节加热速度。

A玻璃罩B外套环C内轴灯罩结构该灯罩由三部分组成:A玻璃罩B外套环C内轴。

风量器由B和C组成,B、C上均有4个等距进气口,C上有4条通气道,B的内径略大于C的外径,二者套在一起,密切结合,并且B可以绕C旋转,使B上的4个外进气口与C上的4个内进气口既可以互相重合,又可以互相封闭,当B与C套在一起后,玻璃罩A就可以插入C的凹槽中成为一个整体。

C的中心孔径稍大于酒精灯灯颈,这样可以方便地装上或取下灯罩。

调温原理点燃酒精灯,安上该灯罩后,一手持A,另一手可旋转B通过透明的玻璃罩A,可以清楚地观察灯焰的变化,当4对进气口恰好完全重合时,空气由4对进气口顺畅地由下而上进入灯罩,空气中的氧气与酒精蒸汽充分反应放出大量的热,此时,火焰高大、明亮,酒精灯所提供的温度也最高。

当4对进气口由完全重合逐渐转向互相封闭时,空气中氧气的进入量也逐渐减少,从而导致火焰变小,当4对进气口恰好完全封闭时,只有灯罩上口处进入少量氧气。此时,火焰较小,主要集中在上口处,并且摇摆不定,颜色暗淡,一般10秒种左右即可自行熄灭。

可调温防风酒精灯具有5个特点:

可调温

(1)灵活变温例如,有机实验中,毛细管法测熔点,细测时,加热至熔点前10~15℃,需要把加热速度由5℃/min降为1~2℃/min。用普通酒精灯加热时,都是通过抽去灯下木块,降低灯体高度的办法来实现,但是,灯体下降高度受木块形状的限制,往往因变温麻烦而造成测量失败,若采用可调温防风酒精灯,就可通过调节风量器,实现“连续变温”,及时地把加热速度稳定地控制在1~2℃/min的范围内,从而保证了测量的准确性,(2)保持恒温例如,水浴加热做银镜反应,要求保持水温60℃左右。当我们把水加热到60℃时,调节风量器,减弱火苗,使烧杯内的水在单位时间内,Q吸=Q放,从而保持60℃的恒温。

另外,在相当多有机物的性质实验以及常、减压蒸馏,分馏提纯中,对温度变化的要求也是非常严格的,因为它直接关系到实验的成败与提纯物质的纯度,采用该灯加热就可以灵活、方便地调节温度,满足实验的要求。

高温

当4对进气口完全重合时,酒精蒸汽得以充分燃烧和火力集中,所以灯焰温度也显着提高,可以完成较高温的实验。如,木炭还原氧化铜,石蜡催化裂化等,还要以进行玻璃管的弯曲、拉伸,在中学实验室里足以取代酒精喷灯。

防风

由于该灯罩的密封性大大优于铁皮灯罩,所以它的防风效果很好,敞开门窗亦无大的影响。

使用方便且省时

由于玻璃是热的不良导体,所以长时间加热后,玻璃罩上口极热,而下部温热不烫手,手持“细腰”处可以方便地装上或取下,而不像加热后的铁制灯罩,必须用坩埚钳取下,当停止加热时,可关闭进气口,使灯焰在10秒钟左右自行熄灭。

由于该灯罩可以灵活地变温和保持恒温,并且具有一定的高温,从而提高了实验速度,大大地节省了加热时间。

造型美观且经济实用

配上该灯罩的酒精灯如同一尊精美的工艺品,直立稳定的三层灯焰清晰可见,做“焰色反应”则有更为突出的效果,另外,该灯罩不仅实用性强,而且价格低廉,可以说,它是酒精灯改进中的一大进步。

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