用三个培养皿，进行气体微型化学实验(一)

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1/10~1/1000)、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，Viktor Obendrauf 和Bruce Mattson等人的针筒注射器法，Slater ， Rayner-Canham，周怀宁等人的井穴板法，Kvittingen 和Verley的离心管法，Per-Odd Eggen和 Lise Kvittingen的培养皿电解法，Martin M.F. Choi（蔡明发）的培养皿法，James Kilroy 和Mary Virginia Orna的胶头滴管栅试管法，Andreas Kometz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Martin M.F. Choi （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
 Martin M.F. Choi（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Martin M.F. Choi（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，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Martin M.F. Choi（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
固定的成套实验仪器：
 一个大号培养皿（Φ=160mm），一个中号培养皿（Φ=90mm），一个小号培养皿（Φ=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。

 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。                Ca(ClO)2 + 4HCl(浓) → CaCl2 +2Cl2↑ + 2H2O
 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。
Cl2 + 2KI → I2 + 2KClI2 + 5Cl2 + 6H2O → 2HIO3 + 10HCl

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