1、课题二 化学实验的绿色追求一、教学设计化学制品在科学的发展、人类的生产和生活中应用极为广泛，化学制品的研制与开发离不开化学实验。但是化学实验中，可能会用到产生一些对人类和环境有害的物质，另外，化学制品的不合理使用，也会对人类带来一些负面的影响，怎样将这些影响降为零或者说降低到最低极限呢？这正是现代化学实验的一种理想追求。本课题通过生产和生活中的实例介绍了绿色化学概念；通过【实践活动】“电解水的微型实验”介绍了微型实验的概念；实验 1-2“氯气的生成及其性质的微型实验”，通过减少实验用品的用量，即化学实验的微型化来减少有害物质的生成，从而达到化学实验的绿色化。实验 1-3“污水处理电浮选凝聚法”
2、就是通过化学手段处理污染的一个实例。本课题教学重点：了解绿色化学的含义和微型实验的特点，树立环境保护意识。本课题教学难点：学生利用已有的化学知识来设计一些简单的微型实验。新课程倡导的学习方式是“主动参与、乐于探究、勤于动手”，教材的编写力求体现这一特点。要落实这种学习方式，教师教学设计中的主导思想也应是让学生主动参与到教学中来，改变单一的讲解为通过讨论、实验活动等方式来组织教学。在教学中，应从学生的已有知识出发，用一些实例，说明在化学实验时，应如何注重对环境的保护，如对于有毒气体的制备、有毒气体的性质实验等要注意对尾气的处理。在实验过程中，要防止或减少有害物质的生成；在日常生活中，也应该用绿色
3、化学的理念和原则来指导我们的行动。在学生了解了绿色化学的概念后，组织学生阅读资料，然后进行【实践活动】和【思考与交流】，思考【实践活动】中体现了绿色化学的哪些原则，在以往的学习中，还有哪些实验体现了绿色化学的思想，并归纳出在今后的学习中，可以从哪些方面来考虑化学实验的绿色化。在讨论过程中，可以将书中的五个方面选出一个或若干个进行展开，如尾气处理，涉及了哪些有毒气体（如氯气，二氧化硫等），可以用什么试剂进行处理，装置是怎样的，如何操作等等。在了解了微型实验意义的基础上，教师可适当介绍实验代用品问题。仪器和试剂是进行化学实验的先决条件，但有时缺少某些仪器或试剂，开展实验活动有一定的困难，这就要因地
4、制宜，就地取材，尽量利用现有的或易得的材料，自己动手制作部分简易的实验仪器和试剂，尽一切努力开展实验，可以发动学生参与，一起动手，解决困难。这样做也可以进一步培养学生的实践能力、创新能力和艰苦奋斗的精神。教学设计参考 1：（1）引出课题：观察初中实验室用一氧化碳还原氧化铜的实验装置图，提出问题：“为什么在装置的最右端有个点燃尾气的装置？”引出本课题化学实验的绿色追求。（2）提出问题：什么是绿色化学？化学品的使用原则是什么？（3）阅读教材，组织讨论，落实绿色化学概念的教学，了解使用化学品的 5R 原则。（4）实践活动：完成教材中的【实践活动】，并且再现初中电解水的装置，组织学生讨论本实验和初中教
5、材中做过的电解水实验有什么不同点？从装置的大小，药品的用量，安全性以及能源的消耗等方面进行比较。这个实验体现了微型环保的绿色化学的理念，借此使学生了解微型实验的特点就是在保证不影响实验效果的前提下，尽可能地减少药品的用量，污染少、操作方便、实验过程快速安全。（5）阅读教材并交流【实践活动】的体会，总结开发绿色化学实验的途径。教学设计参考 2：（1）创设情景：实验室氢气还原氧化铜实验的试管壁上往往沾有少量的铜单质，如果你是一个实验管理员，你会用什么试剂来清洗呢？（2）学生讨论：能溶解铜的反应有：；从反应的条件、反应物的腐蚀性、生成物的毒性等方面来考虑，选择用铁盐溶液最好。（3）引出课题：通过上述
6、讨论，使学生认识到化学实验时一定要注重环境保护，同时也要学会保护自己的身体健康，体现以人为本的理念，从而引出本单元的课题化学实验的绿色追求。（4）提出问题：什么是绿色化学？在化学实验室中，使用化学品时，怎样体现绿色化学的思想？化学品的使用原则是什么？（5）组织讨论，阅读教材：落实绿色化学概念的教学，了解使用化学品的 5R 原则。（6）实践活动：完成教材中的【实践活动】，并且再现初中电解水的装置，组织学生讨论本实验和初中教材中做过的电解水实验有什么不同点？从装置的大小，药品的用量，安全性以及能源的消耗等方面进行比较，从而了解微型实验的特点是在保证不影响实验效果的前提下，尽可能减少药品的用量，其仪
7、器容量小、污染少、操作方便、实验现象直观明显、实验过程快速安全。（7）阅读教材并交流【实践活动】的体会，总结开发绿色化学实验的途径。二、活动建议【实践活动】该实践活动内容是一个电解水的微型实验，目的是通过实验，比较与初中学习的电解水实验的不同点，了解微型实验的特点，以及微型实验与绿色化学的关系。实验原理可以作为实验 1-3 的知识铺垫，电解水的实验学生虽然熟悉，但是实验原理并不清楚。在此实验中，要讲明加入 5 NaOH 溶液是为了增大溶液的导电能力，溶液中的 H 在阴极放电生成 H2，OH 在阳极放电，生成 O2。本实验安全，无毒，对环境和学生的身体都不会造成危害，如果有条件应该让学生亲自动手
8、完成实验。实验中在点燃气泡时，应注意与实验装置保持一定的距离，防止碱液在爆鸣时溅入眼睛；虽然使用的是稀碱液，但也要注意不要将溶液粘在皮肤和衣服上。另外可用 10的稀硫酸来代替稀 NaOH 溶液来增强溶液的导电性。【思考与交流】上述【实践活动】后，组织学生讨论，以认识微型实验。本实验减少反应物的用量，减少了实验的危险性，节约了能源，但是实验现象和实验的结果都没有改变，实验效果很好。实践活动是从减少实验试剂的用量这个方面来体现化学实验绿色化的，教师也可以在此基础上做如下拓展：实验室制备有毒气体时一定要进行尾气的回收；实验室可用氯酸钾分解或用双氧水分解来制备氧气，从反应结果和过程看，双氧水分解反应后
9、的生成物是水，没有污染，且反应不需加热，节约能源；另外还可以通过控制滴加双氧水的量来控制反应的速率和生成氧气的量，可根据需要随时停止反应，从而也利于节约药品。活动流程：1电解水的微型实验从哪些方面体现了化学实验的绿色化？2在学习化学的过程中，还有哪些实例体现了化学实验绿色化的思想？3有哪些反应可以用于实验室制氧气，从绿色化学观点来看，选用哪种药品比较好？利用这种药品制备氧气时还有哪些优点？4归纳总结化学实验绿色化的主要途径有哪些？【学与问】这里设计的两个小问题，都是在知识上为实验 1-2 的实施做准备，学生在化学必修 1和必修 2 中分别学习了氯气的有关性质，并且也做过一些相关的实验，但实验均
10、属于常规的实验。教师要利用这一活动，让学生做好实验前的预习。参考答案氯气通常情况下是黄绿色有刺激性气味的气体，能溶于水，常温常压下 1 体积的水约能溶解 2 体积的氯气。它的化学性质很活泼，具有氧化性，能将 Fe2 、Br 、I 氧化成Fe3 、Br 2、I 2；能与大部分的金属反应生成金属氯化物，如氯气与铁、铜、钠等金属反应生成氯化铁、氯化铜、氯化钠等；能与很多非金属反应，如与氢气反应生成氯化氢；与水反应生成盐酸和次氯酸；与氢氧化钠溶液反应生成次氯酸钠、氯化钠和水。三、实验说明实验 1-2 氯气的生成及其性质的微型实验1实验目标（1）通过微型实验呈现学生已知的氯气的生成反应和性质实验，从而使
11、学生认识和体验微型实验的意义及与常规实验的关系。（2）培养进行化学实验创新设计的意识。2预习指导（1）实验原理：了解实验室制氯气的原理：。利用【学与问】组织复习氯气具有的物理性质和化学性质。教师可提供下面的表格，让学生回忆或查书后填写完成。由于氯气与金属铁、铜、钠以及非金属氢气的反应需要加热点燃，所以无法利用本实验的微型实验装置来完成。针对这一点可组织学生讨论，进一步探讨微型实验的特点。（2）操作技能：巩固固体药品和液体药品取用方法的掌握。（3）操作要点：微型实验，实验药品的用量一定要少，本实验中氯酸钾的用量就是芝麻大小的两粒，可以用药匙柄的后端小药匙来取用，而其他液体试剂均只取一滴。在使用滴
12、管时，每次都要清洗滴管，避免不同试剂的交叉污染。氯气能与 NaOH 溶液反应，生成的次氯酸钠和氯化钠均是无色溶液，为了观察到现象，我们在 NaOH 溶液中滴加了酚酞，反应时溶液的红色逐渐褪去。氯气与 KBr 溶液的反应，溶液显现橙色的时间略长，需要耐心等一会儿才能观察到。3建议与改进实验时，可以先在白色的纸上写好化学试剂的化学式或名称以及标号，再压上玻璃板，根据白纸上的化学试剂的名称来滴放试剂，以避免将试剂的位置记错。另外，NaOH 溶液的浓度可以高一些，且应多滴一滴，以便将多余的氯气吸收，防止对环境的污染。本实验只要严格控制实验时药品的用量，实验时几乎闻不到氯气的刺激性气味。也可以用培养皿代
13、替玻璃板，但表面皿的直径要略大于培养皿的直径。氯气与水反应能生成次氯酸，次氯酸具有强氧化性，能使有色物质漂白，利用此装置还可以进行氯气与湿润的有色布条作用，有色布条被漂白成白色；与湿润的 pH 试纸作用，试纸先变红后变白等实验。滴有酚酞的 NaOH 溶液由红色变为无色，是由于中和褪色还是漂白褪色，这也是一个很好的探究课题。教师可以让学生自己探讨，通过提出假设，实验验证，得出结论。可向褪色后的溶液中再滴入 NaOH 溶液，若是中和褪色，则观察到的现象是，溶液变为红色；若是漂白褪色，则溶液不会变为红色。4问题与讨论（1） 。（2）这是一个开放性的问题，教师可以从反应的原理入手，让学生展开充分的讨论
14、。这套简易装置可以用来制备气体并试验气体的性质，有关的反应不需要加热。此装置适宜的实验还有：CaCO 3与盐酸反应生成 CO2，CO 2与 Na2O2、紫色石蕊溶液（湿润的蓝色石蕊试纸）、Ca(OH) 2或 Ba（OH） 2反应。Na 2SO3与 H2SO4反应生成 SO2，SO 2与品红溶液、溴水、碘和淀粉的混合溶液、紫色石蕊溶液（湿润的蓝色石蕊试纸）、酸性 KMnO4、H 2S 溶液反应。5拓展实验可以利用计算机的软盘盒或 CD 盒来完成上述实验。这些盒的材质均为塑料，可以用粗铜丝在酒精灯上烧至红热（铜丝传热很快，注意铜丝后端的塑料皮不要剥去，避免烫伤，可以用铁质的螺丝刀来代替铜丝），在软
15、盘盒或 CD 盒盖的中心烫出一个直径约为 5 毫米的圆洞，以便滴加试剂。实验时在盒底的中心放 KClO3，在它的周围滴其他试剂，盖好盖，通过小圆洞向 KClO3上滴加浓盐酸，观察实验现象。可以发现在试剂的上方盒盖上有水雾，这说明反应是放热的。实验 1-3 污水处理电浮选凝聚法1实验目标（1）了解电浮选凝聚法处理污水的原理及装置，复习胶体的性质。（2）通过实验，使学生认识化学在解决污染问题中的作用，培养学生保护环境的意识。2预习指导实验原理：利用电解原理对污水进行处理，其中电解的原理学生是未知的，实验之前需要补充这些知识，预习时首先要明确实验原理。非惰性电极 Fe 作阳极，电极自身发生氧化反应生
16、成亚铁离子： ，另外水中负二价氧也发生氧化反应生成氧气： ；阴极水中正一价的氢发生还原反应生成氢气：。实验从两方面来达到净化水的目的：第一是电凝聚，在阳极除了电极发生的氧化反应外，还发生反应：，由于 Fe（OH） 3具有吸附性，可将水中的污染物小颗粒吸附而沉积下来，从而达到净化水的目的。第二是浮选，在实验过程中，阴极生成的氢气气泡将污水中的悬浮物带到水的表面，在水面上形成浮渣层，易与水体分离，从而达到净化水的目的。本实验是在实验室模拟用电浮选凝聚法净化水，在实际的生产实践中由于此方法的耗电量较高，所以其成本较高。操作技能：调节溶液的 pH 时需要使用 pH 试纸，试纸放在洁净干燥的表面皿中，用
17、洁净干燥的玻璃棒沾取溶液，滴在 pH 试纸上，待液体散开后，与标准比色卡对比，读取溶液的 pH。若 pH 没有达到 56 的要求，再次使用玻璃棒和表面皿时必须清洗干燥后才能使用。操作要点：为了便于观察到污水变清的实验现象，还可以在水中加入少量的有机染料，通过观察溶液的颜色变化来判断污水是否被净化。但是使中间水层彻底变澄清需要很长的时间，只要观察到溶液的颜色变浅即可说明问题。3实验要求严格按照实验步骤中的要求进行实验，必须使用直流电源，在使用电源时应该小心，防止触电。溶液的 pH 需要调到 56 之间。当溶液的 pH 大于 6 时，可以用稀盐酸来降低溶液的 pH，若溶液 pH 小于 5，我们可以
18、通过加入 NaOH 溶液来调节 pH 达到所需的范围。认真记录实验现象（参考下表），实验开始时应引导学生观察两电极上产生的气体及气体的颜色，推测气体是什么气体。实验中注意观察溶液颜色的变化。实验快结束时观察到污水表面逐渐形成一层浮渣，容器底部也积聚一层沉渣。完成实验报告，做好评价。实验记录4建议与改进为了加快实验的速率，可适当增大直流电源的电压和电极金属板的面积。污水中还需加入少量的 Na2SO4溶液，以增大溶液中的离子浓度，从而增大溶液的导电性，加快电解速率，达到快速净化的目的。建议用硫酸代替盐酸来调节溶液的 pH，否则 Cl 也可能在阳极放电生成氯气，造成环境污染。5问题与讨论教师应指导学生通过图书馆的书籍中、互联网上、报刊杂志等查找资料，组织进行交流。6拓展实验（1）塑料多用滴管可以用医用开赛露的小塑料瓶或青霉素针剂瓶代替。废物利用，实验安全可靠，实验时间短，实验现象明显，人人都可以亲自动手来完成实验。实验的废水中加入少量的硫酸钠，是为了增大溶液的导电性，加快净化的速率。（2）自制小电池实验，选用的电极的表面积要尽可能大一些，以增大溶液与电极的接触面，增大电池的输出电流。导线要尽可能的短一些，以减少电流的损失。小灯泡所需的电压较大，可以用“电子小玩具”或二级管代替。取出电子玩具中的钮扣电池，将自制的电池与其相连，就能发出美妙的声音。
