中学化学微型实验(培训讲义).doc

中 学 微 型 化 学 实 验

沈 戮

湛江师范学院
化学科学与技术学院
2012.3

目 录

第一节
微型化学实验课堂教学简介 …………………
1
第二节
微型化学实验仪器简介 ………………………
3
一
配套微型实验仪器 ……………………………
3
二
微型实验常用仪器介绍 ………………………
4
三
仪器的组装与使用 ……………………………
7
第三节
初、高中化学新课程典型教学微型实验研究…
10
（一）
初中化学新课程典型教学微型实验研究 ……
10
实验1
氧气的制备及性质 ……………………………
10
实验2
氢气的制备及性质 ……………………………
14
实验3
空气中氧气含量的测定 ………………………
17
实验4
二氧化碳的制备及性质 ………………………
19
实验5
碳跟氧化铜的反应 ……………………………
22
实验6
一氧化碳的制备及性质 ………………………
24
实验7
灭火的原理和方法 ……………………………
26
实验8
可燃性粉尘的爆炸 ……………………………
27
（二）
高中化学新课程典型教学微型实验研究 ……
29
实验9
钠与水的反应 …………………………………
29
实验10
铁与水蒸汽的反应 ……………………………
31
实验11
碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性 ………………
33
实验12
氯气的制备及性质 ……………………………
35
实验13
二氧化硫的制备及性质 ………………………
38
实验14
浓硝酸、稀硝酸跟铜反应 …………………….
42
实验15
电解食盐水 ……………………………………
44
实验16
喷泉实验 ………………………………………
47
实验17
乙烯的制备及性质 ……………………………
51
实验18
乙炔的制备及性质 ……………………………
53
实验19
乙酸乙酯的制备和水解 ………………………
56

- 57 -

第一节 微型化学实验课堂教学简介

微型化学实验不依赖实验室而具有现象明显，操作安全，环境污染小，节约药品，节省时间等特点。因此，在普通教室里采用微型化学实验进行教学是满足新课程实验要求的有效办法。当微型化学实验进入课室后，由于课室里比实验室里受干扰的因素少，所营造的认知情境有利于将实验活动与其它学习活动进行有机结合，学生能更主动去获取丰富、生动、深刻的学习信息。因此，化学实验活动的教学功能得以充分发挥。
在普通教室里采用微型实验进行教学，能有效地开展科学探究活动。在班级授课制下的课堂里，科学探究活动在时间、空间和课程资源等方面都受到一定程度的制约。而微型化学实验进入课堂后，以实验的高效率和小操作面突破了课堂的时空限制。并且，只要学生一动手，实验的各种现象就会使学生诱发相关的科学问题，各种猜想或假设便会接踵而来。当继续实验，各种取证和分析等活动就随之展开，从而提供丰富生动的源源不断的课程资源。可见，微型化学实验课堂教学具有开展科学探究活动的独特功能。
下面介绍的是微型化学实验课堂教学常采用的一些基本做法：
1. 学生微型化学仪器的配备
在普通教室里采用微型实验进行教学，一般应配备学生人手一套或是同桌的两人一套微型仪器，以满足课堂实验的要求。在课堂里，不仅向学生提供了人人动手的机会，而且学生不需离开座位就能有仪器和药品做实验。因而，既能保证学生在规定时间内都能从实验中获取到完成学习任务所需的信息，又能维持良好的课堂秩序、进行有效的课堂活动调控。
2. 教室里要具备的实验设施
（1）实验所需操作面积：微型仪器箱规格为24cm×13cm，操作台面积15cm×10cm。而普通教室的课桌规格为50cm×60cm，这不仅可以满足实验所需操作面，而且还可以同时在课桌上进行各种纸笔学习活动。
（2）供水、洗涤、废液回收措施：由于微型仪器的容积小，实验用水量一般每堂课人均不超过100mL。因此，学生每人只配备两个饮水塑料杯、每班相应备有两个塑料桶，分别盛净水和回收废液，即可解决普通教室实验的供水、洗涤、排污等问题。
3. 药品的分发
（1）药品分装：液体试剂存储于塑料多用滴管中；固体试剂分装于青霉素小药瓶里。
（2）药品发放：由学生小组长负责分发，根据实验用药量的多少，可每人一份或课桌的前后4~6人共用一份药品，互相传递使用。
4. 实验安全与教室里空气质量的保障
微型化学实验仪器的装置小，反应物的用量也少，所造成的污染和危险性也就小。其中气体的制备与性质实验一体化是最有效的减少空气污染的方法。实践证明，只要操作正确规范，试剂用量控制在微型实验范围内，微型化学实验是很安全的。若在学生动手做实验之前适当地组织学生开展讨论交流，学生便能正确、规范、安全（不强求一致）地进行实验。

第二节 微型化学实验仪器简介

微型化学实验是近十年来在国内外得到迅速发展的化学实验新方法，是“绿色化学”的重要组成部分，已成为21世纪化学实验教学改革的一个重要趋势。它的特点是在微小型的仪器中，用尽可能少的试剂（一般为常规的十分之一至千分之一）来进行实验，是在微型化的条件下对化学实验进行重新设计与再表现。微型化学实验现象明显，操作安全，环境污染小，节约药品，节省时间，利于学生人人动手实验，是开拓化学实验素质教育的有效途径。
一、 配套微型实验仪器
由湛江师范学院研制开发的中学化学微型实验仪器箱*（ML-1），外形包装美观、仪器精巧新颖、配置合理、组装灵活，具有较强实用性，已获多项国家专利。仪器结合中学化学教学的实际情况按新课程标准的要求而设计，能满足初、高中和职业技术学校的大部分化学实验的需要。具体优点如下：
(1) 仪器具有多功能，能以不多的仪器种类和数量获得较多的实验用途。
(2) 仪器连接部位采用简易标准接口（非磨口）设计（专利号：01258568.8），但又具有磨口仪器安装方便的特点。
(3) 仪器组装成的具有启普原理的微型气体发生器（专利号：01258569.6），兼有固-液制气、液-液制气和固体加热制气等多种用途。
(4) 多功能微型实验操作台（专利号：01258570.X）能方便地安装各种微型化学实验装置。操作台的底座上设计有四个孔穴，可用于点滴反应。其中仪器夹为不锈钢弹簧式设计，安装时不需旋螺母固定，易装、易调、易拆卸。
(5) 由配套仪器与微型实验操作台组成的便携式微型仪器箱（24cm×13cm×11cm）。使用、携带和保管都很便利。
因此，全套仪器不仅造价低廉、体积小而且功能性与实用性集一体。
在我国的班级授课制下，由于班的学生人数较多，常规化学实验难以满足现行课程标准的教学和实验要求。而这套仪器可以作为学生的学具人手一套，能在普通课堂上边授课边实验，为开展以学生为主体的各种学习活动，尤其是科学探究活动提供了技术上的支持。因此，这套仪器的开发和应用将为基础教育课程改革提供了有效的化学课程资源。
二、微型实验常用仪器介绍
ML-1微型实验仪器的名称、用途和使用注意事项等介绍见表1。

仪器名称
一般用途
使用注意事项
A
A
B
内套管
A
B
A
微型气体发生器
由U形管和内套管组成。
① 装配气体发生装置，可用于液-固制气、液-液制气和固-固加热制气；
② 可作电解、电镀的盛液容器。
① 在直接加热时，要防止骤冷骤热，以免引起仪器破裂；
② 使用时要轻拿轻放，以免用力过猛，在弯曲处断裂；
③ 若内套管需要取出时，应注意保存；
④ 与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免破裂。
V形侧泡反应管

① 用于气体与液体或气体与固体进行反应的仪器；
② 可作液、固体加热分解的反应器。
① 在直接加热时，要先使其均匀受热，再在固定部位加热；
② 与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免破裂。
具支试管

① 用于制取少量气体；
② 用作反应的容器；
③ 作洗气或干燥管；
④ 当斜放时可同时在两处装载试剂分别进行实验。
① 在直接加热时，要防止骤冷骤热，以免引起仪器破裂；
② 与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免仪裂。
小试管
① 盛少量试剂；
② 用作少量试剂的反应容器；
③ 可用于收集少量气体。
① 可直接加热，防止骤冷骤热；
② 加热时应用仪器夹夹持；
③ 与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免破裂。
表2-1：ML-1微型实验常用仪器介绍

续上表：
仪器名称
一般用途
使用注意事项
直形通气管

B
B
B

① 用于导气；
② 作搅拌棒；
③ 接上普通滴管胶头即可组成一支滴管，用于吸取或滴加少量液体药品；
④ 球状处为内接口，套上乳胶管可与微型气体发生器或具支试管连接组装成各种装置。
① 作为滴管在取液体时不能倒置；
② 与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免破裂。
直角形通气管

① 用于导气。
② 球状处为内接口，套上乳胶管可与具支试管连接组装气体干燥和洗气装置。
与其它仪器连接时，不要用力过猛，尢其要注意弯曲处，以免折断破裂。
尖嘴管

① 作可燃气体的燃烧管；
② 用于导气。
③ 球状处为内接口，套上乳胶管可与其它仪器连接组装
与其它仪器连接时，不要用力过猛，以免破裂。
小烧杯
① 用作较大容量的反应容器，以使反应物均匀混合；
② 作配制溶液的容器；
③ 盛水容器。
① 防止搅动时液体溅出，或沸腾时液体溢出；
② 防止玻璃受热不均匀而破裂。
酒精灯

加热用。
① 在第一次点燃时，先打开盖子用手扇去其中聚集的酒精蒸气后才点燃，以免发生事故；
② 停止加热时必须要用灯帽盖灭。
多用滴管

① 可作为液体试剂或气体的储存容器、滴管、反应容器等；
② 把颈管拉细，作为毛细管和搅拌棒。
① 不能直接加热；可在80℃以下水浴；
② 聚乙烯制品，耐一般无机酸碱的腐蚀，不能装载有机试剂；
③ 储存液体和气体时，可对管端加热熔封。用时剪开用后封回；
④ 作试剂瓶用途时须贴上小标签。
小药匙
① 取固体药品用；
② 作搅拌棒。
取用一种药品后，必须洗净并用滤纸擦干后才能取另一种药品。

续上表：
仪器名称
一般用途
使用注意事项
主铁夹

① 大夹用于夹操作台支柱而起固定作用；
② 小夹用于夹仪器夹或卡仪板；
③ 夹把柄孔可用于放置小试管或具支试管。
① 使用过程中不要同时用手抓着两个把柄，以免夹子打开；
② 使用完毕应擦去夹子上的化学药品和水。
仪器夹
① 可夹持仪器进行加热；
② 可夹持试管、微型气体发生器、具支试管和V形侧泡反应管等。
① 使用过程中不要同时用手抓着两个把柄，以免夹子打开；
② 使用完毕应擦去夹子上沾污的化学药品和水。
卡仪板
① 可用于固定仪器；
② 与主铁夹和微型操作台配合使用可充当试管架。
如果用于夹持仪器进行加热时，应距离加热点尽量远，以免橡胶被烧坏。
止气(水)夹
夹着乳胶管，阻止气体或液体通过。
防止大角度折反。
操作台
① 用于固定或放置反应容器；
② 操作台底座上的两个孔可用于放置多用滴管；
③ 操作台底座上有四个孔穴，用于点滴反应，适用一些不需要分离的沉淀反应，尤其是显色反应。
① 仪器固定时，仪器和操作台的重心应落在底座中部；
② 操作台支柱可活动，使用完毕后可拆下放置；
③ 孔穴不适宜接触有机溶剂。
水槽(仪器盒托盘)

① 装载仪器配件；
② 装较大量的水当作水槽使用。
用后要擦干水。
毛刷
洗刷玻璃仪器。
小心刷子顶端的铁丝撞破玻璃仪器。
注：A为玻璃仪器简易标准外接口；
B为玻璃仪器简易标准内接口。

三、仪器组装与使用
1. 微型仪器的连接
微型仪器的简易标准接口分别由统一管径的玻璃仪器外接口(A)和内接口（B）组成（见表2-1仪器图中的A、B）。其中内接口的管壁吹制成有一个稍比外接口内径小且有一定锥度的球状。仪器连接时，先在内接口外面（用水使之润滑）套上一段（约1.5～2cm长）弹性乳胶管，然后再插入到需连接仪器的外接口紧贴密封。一些仪器连接的示意图见下面的图2-1、图2-2、图2-3。
图2-3 具支试管与V形侧泡反应管的连接示意图
图2-2 一种气体发生装置的组装连接示意图
图2-1 洗涤装置的组装连接示意图

2. 操作台
操作台由底座、支柱、主铁夹、仪器夹、卡仪板组成。
操作台配套齐全，操作方便、结构简单、所占空间小。主铁夹和仪器夹全部用弹簧夹代替螺母，装拆方便、调节灵活。能满足安装各种微型化学实验装置的需要。
操作台为双支柱设计，两柱用插孔式安装固定，可以根据需要选用一根支柱或两根支柱组成操作台。能使比较复杂的实验装置组合在同一操作台上进行实验（见图3-2、图3-24、图3-25等）。
(1) 主铁夹 其特征为有两个互相垂直的大小夹子和圆圈把柄。其中大夹用来夹住操作台支柱，可沿支柱任意旋转360°，能上下滑动、调节高度与角度。其垂直的小夹用来夹住仪器夹或卡仪板等，它们可以在小夹上作360°旋转。圆圈状把柄可以放置小试管、具支试管等仪器（见图3-1、图3-2等）。
(2) 仪器夹 夹柄为圆柱状，将其夹在主铁夹上，能绕柄柱旋转360°，用于夹住装置中较大的仪器（见图3-1、图3-14等）。也可以手拿着圆柱状的夹柄，夹持试管进行加热。
(3) 卡仪板 由橡胶制造而成，配有圆柱状的金属把柄，将其夹在主铁夹的垂直小夹上，能绕柄柱旋转360°。板中孔开有缺口，利用橡胶的弹性可将仪器放入或取出（见图2-4、图3-1等）。
卡仪板和主铁夹组成的试管架，能同时放置3~5支小试管（见图2-4），有利于做对比实验，有利于对小而轻的仪器进行稳定操作而避免翻倒。
3. 微型气体发生器
由一个带支管的U形管和一个底部有小孔的内套管组成。
(1) 液体-固体反应制气体
图2-4 组装成试管架
内套管盛装固体反应物（见图3-4、图3-22），在U形管内加液体反应物至浸没固体，即可以发生反应产生气体。当要暂时停止制气时，用止气夹关闭与支管连接的乳胶管，使U形管的粗端内压力增大，液体从内套管底部的小孔排出而脱离固体，反应终止。当打开止气夹又可以继续制取气体。仪器具有启普发生器的功能。
如果把固体物质直接放在U形管内，也可进行液-固制气反应（见图3-42）。
(2) 液体-液体反应制气体
U形管内装一种液体反应物，再在U形管细端口插入吸取另一种液体反应物滴管（滴管由直形通气管配上滴管胶头组成）。挤压胶头将滴管里的液体流下使两种液体接触，即发生化学反应产生气体。
如果制气量少，也可以直接利用具支试管来作气体发生器（见图3-15）。
(3) 固体-固体反应制气体
把两种固体反应物都放入U形管内，用酒精灯加热U形管底部，即可以反应产生气体（见图3-2）。
4. 多用滴管
以聚乙烯为原料吹塑成型，由圆筒形具有弹性的吸泡与细长的径管构成。
多用滴管具有许多功能，它可以盛液体、气体作储存容器（贴上标签、盖上自图2-5 多用滴管
制的盖子或酒精灯火上熔封径管，见图2-5），可用于吸取液体也可以滴加液体作滴管，还可以作某些反应的反应容器。其径管可作搅拌棒，若把其径管拉长拉细，可作毛细管。一般的无机酸、碱、盐溶液以及指示剂溶液可长期储存在多用滴管中；而浓硝酸等强氧化剂，苯、甲苯、松节油、丙酮、石油醚等有机溶剂会与聚乙烯发生不同程度反应或溶解作用，不宜长期储于多用滴管中。
第三节 初、高中化学新课程典型教学微型实验研究
（一）初中化学新课程典型教学微型实验研究
实验1 氧气的制备及性质

一、实验目的
1. 学习利用微型化学仪器制取氧气的方法；
2. 掌握氧气制备及化学性质的一体化实验方法；
3. 认识催化剂在化学反应里的催化作用。
二、实验原理
实验室里常常采用二氧化锰为催化剂加热氯酸钾来制备氧气。氯酸钾加热到360℃左右开始熔化，约在530℃时，同时发生下列两个反应：
472℃
4 KClO3 KCl + 3 KClO4
534℃
3 KClO4 3 KCl + 6 O2 ↑
534℃
2 KClO3 2 KCl + 3 O2 ↑
＋）

当加入二氧化锰，反应主要按下式进行，且分解的温度较低；
△△
3 MnO2 Mn3O4 + 2 O2 ↑ - 172.2 kJ

单独的二氧化锰加热到535℃，也可生成氧气：
MnO2△
240℃
2 KClO3 2 KCl + 3 O2 ↑

实验室中用酒精灯加热，不易达到500℃以上的高温，故二氧化锰不会分解放出氧气，只对氯酸钾的分解起催化作用。
氧气是一种很活泼的非金属元素，除惰性气体、卤素以及某些不活泼的金属（如金、铂等）外，氧能和其余元素直接化合生成氧化物或过氧化物。如：
C + O2 CO2
△△
S + O2 SO2
△△
4P + 5O2 2P2O5
△△
3Fe + 2O2 Fe3O4
△△

上述反应均可称为氧化反应，对于反应剧烈，同时放出热和光者，又可称为燃烧。因此，氧常被称为氧化剂或助燃剂。
三、实验用品
1. 仪器和材料：U形管、V形侧泡反应管、侧泡具支试管、微型酒精灯、橡胶塞、乳胶管、微型实验操作台、塑料小药勺。
2. 药品：氯酸钾（A.R）、二氧化锰（A.R）（在蒸发皿内进行焙烧处理）、木炭、硫粉、红磷、细铁丝、10 % NaOH溶液。
四、实验内容及操作
1. 氧气的制备及性质（Ⅰ）
图3-1 氧气的制备与性质一体化实验装置(Ⅰ)
(1) 把约1.5 g KClO3（在表面皿上，用角匙轻轻压碎）和0.5 g MnO2混合均匀，放入侧泡具支试管里。
用塑料小药勺分别取一颗绿豆大小体积的木炭、硫粉和半颗米粒大小体积的红磷分别放于V形侧泡反应管的侧泡处。
再在另一支侧泡具支试管中加入约1 mL澄清石灰水，按图3-1连接好装置。
(2) 在试管的底下部徐徐加热，使均匀受热，然后对反应混合物的前部加热制氧气（待产气速率明显变慢时，再将火焰逐渐移向管底）。用带火星木条放在侧泡具支试管的支管口检验。当确认有氧气生成时，点燃捆在细铁丝上的火柴梗，吹灭明火后立即移至支管口处，并在管口下方垫一张白纸，观察细铁丝的燃烧现象和白纸中是否留有黑色的微粒（Fe3O4）。
然后用酒精灯依次加热V形侧泡反应管中的木炭、硫粉和红磷，观察发生的现象。
图3-2 氧气的制备与性质一体化实验装置(Ⅱ)
2. 氧气的制备及性质（Ⅱ）
(1) 把约3 g KClO3（在表面皿，用角匙轻轻压碎）和1 g MnO2锰混合均匀，放入U形管中。
用塑料小药勺分别取一颗绿豆大小体积的木炭、硫粉和半颗米粒大小体积的红磷分别放于V形侧泡反应管的侧泡处，如图3-2连接好装置。
(2) 先在U形管下方来回移动加热，使之均匀受热，然后对着反应物的部位加热制氧气。
用带火星木条放在管口检验。当确认有氧气生成时，点燃捆在细铁丝上的火柴梗，吹灭明火后立即移至管口处，并在管口下方垫一张白纸，观察细铁丝的燃烧现象和白纸中是否留有黑色的微粒（Fe3O4）。
然后用酒精灯依次加热V形侧泡反应管中的木炭、硫粉和红磷，观察发生的现象。
3. 二氧化锰的催化作用
图3-3 二氧化锰的催化作用
(1) 在侧泡具支试管底部放入约0.5 g KClO3固体粉末，在试管的侧泡处放入约0.1g MnO2固体，如图3-3装置。
(2) 用酒精灯加热试管底部的 KClO3，在KClO3没有熔化前，用带火星木条移到具支管口，观察木条是否复燃。再继续加热至KClO3熔化（约4~5 min）再用带火星木条移到具支管口，观察木条是否能复燃，这说明了什么？
(3) 把酒精灯移至侧泡处加热MnO2，加热3~5 min，同样用带火星木条移到具支管口，观察木条能否复燃。
(4) 稍冷，将侧泡具支试管垂直，让MnO2落入试管底部与KClO3混合。然后稍许加热，用带火星木条移到具支管口，观察木条是否复燃。
五、讨论与研究
1. 实验评价：氧气的制备及性质（Ⅰ）的实验设计巧妙、合理。侧泡具支试管里的石灰水即可以看到实验中生成氧气的多少与快慢，增加直观性，又可以检验木炭在氧气中燃烧的产物，再就是作为碱可以消除大部分由硫粉和红磷分别在氧气中燃烧而生成的有毒气体，起到了一举三得的效果。
本实验将氧气的制备及性质设计为一体化实验，并将几个不同的化学反应组合在一起，提高实验的综合性，现象对比鲜明。还可以避免实验中的重复，减少实验仪器和药品，减少了污染，同时也缩短了实验时间（约15 min完成），符合绿色化学的思想。
2. KClO3是一种强氧化剂，易燃易爆的物质，特别是当混进还原性的物质时，它对摩擦、冲击、加热更容易引起爆炸，故在使用时应特别小心！粗颗粒晶体的KClO3，要将它粉碎成细颗粒时，可轻轻地压碎，不可研磨，更不能将其与MnO2混合研磨，以防发生爆炸。应当把KClO3和MnO2分别处理成细末后再混合均匀。
3. 选好MnO2是实验成功的重要条件，市售的MnO2常混有可燃性的有机杂质，如树根、草屑、炭末等。因此，在使用前，必须把它放在坩埚内灼烧至无火星、无白烟为止，以除去其中含有的水分、草屑、炭等易燃性物质。
4. 细铁丝可选用石棉网上的铁丝，事先用砂纸擦亮。用2根细铁丝拧在一起，一端系牢一根长约2 cm的火柴梗。
5. 红磷与氧气反应非常剧烈，因此红磷不要过多，免致燃烧太剧烈造成V形侧泡反应管破裂。
6. 为了确保实验成功，建议在做氧气分别与木炭、硫粉和红磷的实验时，可以使用两盏微型酒精灯（错开实验时间，互借邻位同学的酒精灯），一盏酒精灯加热试管底部的KClO3来制备氧气，同时用另一盏酒精灯分别用来加热木炭、硫粉和红磷进行一体化实验。
六、问题与思考
1. 在实验中有没有找到证据证明木炭与氧气反应生成的气体是二氧化碳？为了防止硫粉、红磷与氧气反应产生的气体污染空气该实验采取了什么措施？你想想有没有更好的方法？
2. 用KClO3制备氧气时，容易发生哪些事故或异常现象？如何防止这些事故及异常现象的发生？
3. 与常规实验相比，微型实验有何特点和优点？
4. 如何设计一个比图3-1和图3-2更简单的微型一体化装置做氧气与木炭或硫粉、红磷的反应？
实验2 氢气的制备及性质

一、实验目的
1. 学会使用具有启普原理的微型实验仪器制取氢气的方法；
2. 掌握氢气的性质；
3. 了解电解的简单操作；
4. 认识氢气与空气混合达到一定体积比后具有爆炸性。
二、实验原理
制取氢气的方法有很多种，常见的有电解水制取氢气，利用活泼金属和酸反应等方法。
实验室制备氢气的方法通常是利用锌和酸反应，锌是一种较活泼的金属，和稀硫酸（或稀盐酸）反应产生氢气和相应的盐。
Zn + 2HCl ZnCl2 + H2↑
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2↑

电解水的反应原理是，在电流的作用下，使水发生分解，并在两个电极上分别放出氢气和氧气。
通电
2H2O 2H2↑ + O2↑

水是一种极弱的电解质，因离子浓度甚小，所以导电能力极差。若向纯水中增加少量强电解质如硫酸或氢氧化钠等，便可大大增加其导电能力。
氢气难溶于水且密度比空气小，可用排水法收集，也可用瓶口向下的排空气集气法收集。氢气具有可燃性，纯的氢气能平稳燃烧，如果氢气不纯，在混和气里氧气分子与氢气分子充分接触，点燃后反应十分迅速，发生爆炸；氢气具有还原性。能夺取一些金属氧化物中的氧使金属还原成单质。
△
H2 + CuO Cu + H2O

三、实验用品
1. 仪器和材料：微型气体发生器、侧泡具支试管、直形通气管、尖嘴管、止气夹、微型实验操作台、微型酒精灯、小试管、小烧杯、小纸杯（约50 mL）、矿泉水瓶盖、多用滴管、6~9V电池、大头针。
2. 药品：粗锌粒、1:1稀盐酸（或1:4稀硫酸）、10 % 氢氧化钠溶液、水、肥皂水（或洗洁精液）、氧化铜、肥皂液。
四、实验内容及操作
1．氢气的燃烧及吹肥皂泡
(1) 按图3-4安装好仪器，在微型气体发生器的内套管中加入几粒锌，塞上胶塞和在微型气体发生器的另一端加入1:1稀HCl溶液至刚浸没锌粒，锌即与HCl发生反应，夹紧止气夹，暂停制气。
图3-4氢气的制备与性质实验
图3-5 氢气还原氧化铜
图3-6氢气与空气混合点燃发生爆炸
(2) 在气体发生器的乳胶管口接上尖嘴管，打开止气夹，取一小试管用排水法收集H2验纯。然后在尖嘴管口上点燃纯净氢气，观察火焰的颜色。再于火焰上方罩一个干而冷的小烧杯，观察烧杯内壁上有雾珠出现。
(3) 拔掉尖嘴管，在胶管口蘸上肥皂水，把胶管口向上吹肥皂泡。待吹肥泡胀到足够大时，迅速平移振动（或用手轻轻扇动）使泡泡脱离管口，观察肥皂泡运动的方向。
吹肥皂泡实验结束后，用止气夹夹住胶管，观察气体发生器内的变化情况。
2. 氢气还原氧化铜
取少量CuO粉末平铺在一支干燥的侧泡具支试管底部，如图3-5装置。
打开止气夹，使反应继续产生H2。通入H2，估计试管中的空气排尽后，用酒精灯加热侧泡具支试管底部CuO处，观察现象。反应结束后，先移去酒精灯，继续通H2至试管冷却后再停止通入H2。
3. 氢气与空气混合点燃发生爆炸
取一个约10 mL大小的小纸杯，在其底部钻有一个直径约为1 mm的小孔，再用熔化的石蜡把小孔堵住。如图3-6所示，用排气法在此小纸杯收集满一杯的氢气，然后把小纸杯壁的下端压在火柴梗上。
用小铁钉刺穿用石蜡堵住小孔，并立刻点燃氢气，注意观察发生的现象。
4. 水的电解和氢气的爆鸣
图3-7 氢气的爆鸣
取一多用滴管，预先吸入约2/3管的10 %氢氧化钠溶液，再在多用滴管的两侧分别各插入一根大头针作电极，两根大头针要与氢氧化钠溶液接触，但互相不能接触，如图3-7装置。把6~9V电池的正负极分别接在大头针上，观察现象。
将多用滴管的径管口插进矿泉水瓶盖里肥皂水的表面，当有较多肥皂泡鼓起时，用点燃着火柴接触肥皂泡，观察爆鸣的情况。
五、讨论与研究
1. 实验评价：该微型仪器的微型气体发生器设计合理，用药量特别少，使用3～4 mL的酸液就可以具有启普原理的气体发生器功能，容易做到学生实验人手一个启普发生器，掌握实验原理和熟练操作的方法。
在氢气的性质实验中可以随意开始与停止，实验简便快速。
2. 建议使用工业锌做实验。纯锌遇稀硫酸立即发生反应，所产生的氢气以气泡的形式附着在锌的表面上而阻碍与酸接触，使反应减慢。由于产生氢气量少而使氢气的燃烧实验不易成功。
如往稀硫酸溶液中滴加数滴硫酸铜溶液，则可使反应加速，因为此时Cu2+与Zn反应而析出微量的Cu，Cu与Zn形成了微电池，Zn与H+离子反应生成的氢气就不会再附在锌的表面上，（铜片与锌接触时亦会使锌与稀硫酸的反应加速）。
3. 肥皂液可用1g中性优质肥皂或洗衣粉溶于30～40 mL蒸馏水中，不容留有固体微粒，再加入2mL甘油以增大肥皂液的粘度。肥皂液的浓度要适宜。以洗发精加水适量代替肥皂液效果更佳。
4. 试管内固体由黑色变红色再变为紫红色，这是因为还原过程可能分两步进行：
△△
2CuO + H2 Cu2O + H2O
△△
Cu2O + H2 2Cu + H2O

氧化亚铜是红色的，铜是紫红色的。为防止生成的铜在高温时被重新氧化，应让铜在氢气环境中冷却，再停止通入氢气。
用氢气还原氧化铜，实验结果往往是黑色粉末逐渐变成红色的疏松的块状物质，而不变成红色。一方面原因是铜的状态是粉末状，细小颗粒因吸光较多而观察不到铜单质的光亮颜色。另一方面原因可能是红色疏松的块状物是铜与氧化亚铜的混合物，该混合物若呈砖红色，以氧化亚铜为主，若呈紫红色，则以铜占多数。
4. 实验后试管内壁上的铜镜可用硝酸或氯化铁溶液煮沸除去。
六、问题与思考
1. 试想象一下，在氢气吹肥皂泡实验中，当一串串肥皂泡脱离管口飘起来的时候，用火柴的火焰近这些泡泡将会是一种怎样的情境？
2. 要吹出大气泡，所用吹管的出气口稍小还是稍大些好？哪些材料做吹管较好？
3. 氢气与空气混合点燃发生爆炸实验中，在小纸杯底点火时，有时一点就爆，有时要燃烧片刻才爆，有时点火又不爆是何原因？
4. 固体氢氧化钠也锌粉混合物受热时可产生氢气：
△
Zn + 2NaOH Na2ZnO2 + H↑

请设计一个微型装置可用做氢气还原氧化铜的实验，使氢气的制备与氧化铜的还原合二为一？
实验3 空气中氧气含量的测定

一、实验目的
1. 认识氧气是空气的主要成分，学习用简易的器材来测定空气中氧气的含量；
2. 培养用辩证唯物主义观点分析解决简单化学问题的能力。
二、实验原理
空气是成分比较固定的混合物，空气的成分按体积计算，大约是：氮气占78 %、氧气占21 %、稀有气体占0.94 %、二氧化碳占0.03 %、其它气体和杂质占0.03 %。
利用某物质易跟氧发生反应，将空气中的一种成分氧气全部耗尽来测定其组成。蜡烛在空气中燃烧，生成CO2和水蒸气，由于CO2可溶解于水，生成的水蒸气也凝结成水。所以该反应中氧气的消耗量即为容器内气体体积的减少量。燃烧前容器内外的气压相等，燃烧过程中，随氧气的逐渐消耗，容器内的气压渐减，容器外的气压大于容器内的气压，这个气压差使容器内的水面逐渐上升，至填补完氧气的消耗量所占的体积后，容器内外的气压恢复相等，水面的上升停止。根据容器内水面上升的高度，可测出空气中氧气的含量（约占空气体积的五分之一）。
三、实验用品
1. 仪器和材料：矿泉水瓶、仪器盒托盘（作水槽用）
2. 药品：小蜡烛、水、红墨水。
四、实验内容及操作
用仪器盒托盘作水槽，盛装一定体积的水（加入几滴红墨水把液体染成红色以便于观察）。
图3-8 测定空气中氧气含量
取一支矿泉水瓶，切去瓶颈细口部分，把矿泉水瓶倒扣在水槽中，在矿泉水瓶与水面接界处划上一横线，然后在矿泉水瓶在露在水面上的部分容积划分为5等份。
用一支短的小蜡烛固定在水槽上，点燃蜡烛，待燃烧稳定以后，把矿泉水瓶轻轻地倒扣在水槽中，如图3-8所示，观察发生的现象。燃烧停止，待矿泉水瓶内温度下降后，观察矿泉水瓶内水面上升的高度。
五、讨论与研究
1. 实验评价：实验完全可以使用在日常生活中简易的器材来替代顶部有孔的钟罩来完成测定空气中氧气的含量的化学实验。实验简便并可多次重复，容易被学生接受，使实验生活化、简单化和微型化，以适应21世纪绿色化学的发展要求。
从生活中寻找实验课程资源，该实验虽然有些粗略，但它不限于老师在课堂上做演示实验，而可以开展学生在课堂上人人动手实验，如果使用平底大碟子代替水槽，也可以在家庭开展实验，让学生有更多的机会主动地体验探究过程，在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度，获得科学的方法，体验实验带来的乐趣。
2. 实验用的矿泉水瓶切去瓶颈细口部分后，最好能尽量保留长一些，以防止实验时蜡烛会烧穿矿泉水瓶底或把矿泉水瓶烧变形。
3. 小蜡烛尽量短些（约1～2 cm长），这样即可以避免蜡烛把矿泉水瓶底烧坏，又可以保证矿泉水瓶里的空气能充分提供给燃烧，使得到的实验结果更准确。
4. 如果该实验发现测定的空气中氧气含量小于21 %，可能的原因是：
(1) 装置气密性不好，有漏气；
(2) 蜡烛燃烧不完全，使瓶内氧气有剩余；
(3) 未冷却至室温就测体积，实测进入瓶内的水体积比应进入的水体积小。
六、问题与思考
1. 磷的化学性质很活泼，在空气中很容易与氧气反应，也可以通过这一反应实验，测定空气中氧气的含量。
4P + 5O2 2P2O5 + 3093.2kJ
点燃

由于生成物P2O5是白色固体，极易溶解于水，所以该反应中氧气的消耗量即为容器内气体体积的减少量。
2. 蜡烛燃烧的产物是二氧化碳和水，试论述为什么用蜡烛来做空气中的氧气含量的测定实验也能得到与红磷实验一样，空气中的氧气含量约为五分之一的结果？
3. 如果要讨论用蜡烛燃烧来测定空气中的氧气的含量，你认为其误差主要是由哪些原因造成的？

实验4 二氧化碳的制备及性质

一、实验目的
1. 学习使用微型化学实验仪器制取二氧化碳；
2. 掌握二氧化碳的性质。
二、实验原理
大理石、石灰石的主要成分是碳酸钙，碳酸盐与盐酸反应可产生不稳定的碳酸，碳酸立即分解成CO2和水。
CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2↑

CO2能溶于水且密度比空气大（是空气的密度的1.53倍），故可用瓶口向上的排空气集气法收集。
CO2溶解在冷水里，大部分以水合分子（CO2·H2O）的形式存在，只有小部分生成碳酸（H2CO3）。20℃时1升水中能溶解0.9升CO2。碳酸不稳定，受热时分解成CO2和水：
H2CO3 CO2 + H2O

如果需要碳酸时，只要在使用前把CO2通入水中即可。碳酸是一个二元弱酸，在水溶液中分步电离：
H2CO3 HCO3- + H+ K1= 4.2×10-7
HCO3- CO32- + H+ K2= 4.8×10-11

因此，CO2的水溶液呈弱酸性。
CO2能跟碱反应生成盐，如跟氢氧化钙反应则生成白色的碳酸钙沉淀：
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3↓+ H2O

利用这一反应，可检验CO2。
三、实验用品
1. 仪器和材料：微型气体发生器、侧泡具支试管、小试管、直角形通气管、多用滴管、3 mL及30mL烧杯、微型酒精灯、止气夹、微型操作台。
2. 药品：石灰石、稀盐酸（1:1）、紫色石蕊试液、澄清石灰水、蓝色石蕊试纸。
四、实验内容及操作
1. 二氧化碳的制备
在微型气体发生器的内套管中加入几小颗石灰石（碳酸钙），塞上胶塞和在微型气体发生器的另一端加入稀盐酸，如图3-9装置。盐酸与石灰石接触而发生反应生成CO2，夹紧止气夹，即可暂停制气。
2. 二氧化碳与澄清石灰反应及水溶性
图3-9 二氧化碳制备微型实验装置
(1) 将图3-9装置的导气管伸入装有约0.5 mL澄清石灰水的小试管中，通入CO2，观察澄清石灰水的变化情况，完毕关闭止气夹。
(2) 取一支多用滴管，先吸取约1/3管的水，将径管朝上用手缓缓捏挤出吸泡中空气（注意不要把水挤出）。然后按图3-11所示，从微型气体发生器中慢慢吸取CO2气体。待吸泡充满气体后，拔出来并迅速将滴管的径管折弯不让气体跑出。充分摇荡多用滴管，注意观察其吸泡发生的现象。观察完毕，将滴管内的溶液滴1滴到蓝色石蕊试纸上，观察试纸的颜色变化。
图3-10 澄清石灰水
通入二氧化碳

图3-11 多用滴管吸入二氧化碳

3. 二氧化碳是比空气重的气体
分别在3 mL烧杯和30 mL烧杯（或透明塑料水杯）的内壁贴上湿润的蓝色石蕊试纸（由杯底贴至高出杯口约2cm左右），如图3-12装置。把导气管插入3 mL的烧杯接近底部，持续通入CO2。跟随试纸变色的进度，用带火星的木条分别插到试纸变色所处的空间和试纸未变色所处的空间，进行观察比较。
4. 二氧化碳与水作用及碳酸的稳定性