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浅谈高中课本(人教版)几个演示实验的不足与改进

作 者:陈双凤 吴雄英 (湖北省武汉市新洲区新洲二中 430013)

一、硫酸铜制备实验的改进
硫酸铜制备实验的原方法及存在的问题
硫酸铜的制备实验是无机化学实验教学中一个必做的实验。铜不能与稀硫酸直接反应,实验中以浓硝酸为氧化剂分次加入到铜与稀硫酸的混合物中,加热使之反应完全,通过蒸发、析晶等操作得到硫酸铜晶体。其反应原理如下:Cu+2HNO3+H2SO4→CuSO3+2NO2+2H2O
在制备实验过程中产生大量有毒有害气体NO2,一方面污染了实验室环境,另一方面也影响了老师和同学们的身体健康。另外NO2与空气中的水结合后生成硝酸,腐蚀实验室设施,NO2也是造成“酸雨”的罪魁祸首之一,排放到空气中也会影响环境。现改述如下:
1、以空气为氧化剂的一步法
将空气或氧气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中,其反应原理如下2Cu+O2+2H2SO4→2CuSO4+2H2O根据化学原理分析该反应在热力学上是可行的,但发现在常温下几乎不反应,认为是反应速率太小。解决方案是:
(1)升高反应温度,水浴加热到80—90℃,反应进行仍然缓慢。
(2)选择稀硫酸或硝酸铜为催化剂。其原理如下:
3Cu+2HNO3+3H2SO43CuSO4+2NO↑+4H2O      2NO+O2→2NO2
3NO2+H2O→2HNO3+NO反应过程中生成的NO与O2及H2O循环反应,使反应不断进行。该法仍产生有毒气体。若选择硝酸为催化剂,其用量仅为原实验方案中所用量之1/10。
2、以过氧化氢为氧化剂
其反应原理如下:Cu+H2O2+H2SO4→CuSO4+2H2O查阅相当电极电势φ°(H2O2/H2O)=1.763v,φ°(O2/H2O)=1.229v,E°=φ°(H2O2/H2O)-φ°(Cu2+/Cu)=1.4v>0,该反应在热力学上是可行的,反应向右进行完全。在常温上反应较慢。提高反应温度,反应速度有很大提高。若反应温度太高,过氧化氢分解。实验证明反应温度控制在50℃,过氧化氢浓度在10%左右,反应能顺利进行。
将98%浓硫酸5.5g加入到装有40ml去离子水的200ml的烧杯中稀释为稀硫酸(硫酸的浓度约1.5mol·L-1),放入铜丝3.2g,保温在50℃。在30%过氧化氢6ml中加入12ml去离子水稀释后,慢慢滴加到其中。反应半小时后,升温至60℃,保温1小时结束。溶液过滤后,在蒸发皿上蒸发至表面出现结晶膜,停止加热,并冷却至室温。减压抽滤,用少量95%的酒精淋洗后,放置在表面皿上晾干后称量。得产品10.6g,产率为84.8%。
二、一氧化氮气体制取和收集方法的改进
实验室制取和收集NO气体时,遇到的最大问题是如何与空气完全隔绝。一般制取NO气体时往往选用烧瓶,但烧瓶和收集装置中的空气无法排尽,以至于反应产生的部分NO被氧化成NO2而呈红棕色,无法制取纯净无色的NO气体。
利用此装置可做如下NO气体的性质实验:用一支针筒收集氧气后慢慢注入收集有NO气体的针筒内,即有红棕色的NO2气体生成;然后用另一针筒吸取蒸馏水后,慢慢注入,红棕色褪去即有硝酸生成;此时如注入紫色石蕊试剂,溶液显红色。
三、制取乙酸乙酯课堂演示实验的改进
说明:乙酸乙酯的制取实验是中学化学的几个经典实验之一,实验本身的原理和方法都很清晰,在中学化学教材中较多以演示实验的形式出现。最近,笔者发现人教版全日制普通高级中学教科书(必修加选修)和上科版高级中学课本(实验本)中,这个实验的装置有所不同,全国教材采用的是直接加热的方式,而上海教材使用水浴加热。
1、实验问题的讨论与分析
有机实验中应特别注意反应物的加热方式。因为大部分有机物是易燃易爆物品。按照规定,沸点低于80℃的液体,在蒸馏时应采用水浴加热,不能直接加热。乙酸乙酯的沸点为77.1℃,所以应该采取水浴加热的方式。这样学生在高中阶段就能了解到有机实验采用水浴加热的方法,从而培养学生实验安全意识。
分析:因为乙酸乙酯的沸点为77.1℃,该水浴加热不能保证试管上端(包括向上的导管)温度在沸点以上,乙酸乙酯就不能以蒸气的形式通过导管到达饱和Na2CO3溶液的液面上,而是在试管中发生回流,落入反应混合物中。因此在饱和Na2CO3溶液的液面上观察不到现象。
2、实验改进意见
从上述对实验存在问题的分析来看,我们考虑安全因素建议采用水浴加热,而水浴加热又存在温度过低不能在较短的时间内观察到明显的现象,不符合演示实验的要求。针对这样的问题笔者进行了如下探索,并提出了行之有效的改进意见。
直接用回流装置来说明乙酸乙酯的生成:本实验最终的目的是为了让学生观察到油酯的产生。上述实验中即使用了短的试管,也只有少量的乙酸乙酯蒸气随导管进入饱和Na2CO3溶液,课堂显示效果不很明显。笔者认为可以直接用回流装置向同学们展示油脂产生,不必利用饱和Na2CO3溶液接收装置。
3、实验改进后的优点
反应装置简单:  让学生初步了解回流装置的原理 ,反应结束后,油状物质分层很明显,能直接区分酯类和其他有机物状态的不同,有脂肪类物质香味逸出,可以很快闻到, 反应所需时间不超过5分钟,大大缩短,符合演示实验的要求,在试管壁上明显的观察到油状液体的生成过程 , 在回流的同时乙醇也随着返回到反应器里,不会造成太多乙醇蒸气逸出。

参考文献
[1]高等教育出版社  2001.6  大连理工大学无机化学教研组[M] 无机化学(第4版)
[2]人民教育出版社化学室,全日制高级中学化学教科书(必修加选修)第二册[S] 北京:人民教育出版社,2002
[3]上海长宁区教育局、高级中学化学课本(试验本)高中二年级第二学期[S] 上海:上海科技出版社,2004