中学微型化学实验选例.docx

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中学微型化学实验选例

（三）中学微型化学实验选例　

氢氧爆鸣

【准备】

（1）取一只废弃的眼药水塑料空瓶，去掉瓶盖后加入约3％的硫酸钠溶液到瓶颈。

另取一支耗完油的圆珠笔笔芯，拔掉笔头后一端紧插在上述小塑瓶的瓶口上。

再把该笔芯如下图所示作两次90度的弯曲。

弯曲时把笔芯放在酒精灯火焰上略加热，弯曲后让它冷却定型。

（2）取两根大头针，如左图所示，从塑料瓶上端分别向下插入瓶内，两大头针的尾端分别通过细导线跟3～6V直流电电源连接，电源可用小号干电池。

（3）取一只小的瓶盖，盖内加入少量1∶1的海鸥洗发精。

【操作】

（1）先接通电源。

通电后塑料瓶里的水发生电解，产生的氢、氧混合气体，通过细塑料导管向外排出。

把排出的混合爆鸣气通入瓶盖内的肥皂液中，会吹出一团团的肥皂泡。

（2）用火柴引燃肥皂泡，发出清脆的爆鸣声。

混合气体不断产生，肥皂泡不断形成，间隔片刻可再次点火爆鸣。

【说明】该装置取材方便，制作简单，操作安全，成功率高。

木材干馏

【原理】木材要在隔绝空气的条件下干馏，所以选用较小的反应容器和较短的导管，有利于较快地产生实验现象。

【准备】

（1）取一支10×90mm的小试管，填入约2／3试管的木屑，填加时随时用玻棒把木屑压紧。

（2）截一段内径约5mm的玻管，一端加热拉成尖嘴。

再截一段内径约8mm的玻管，加热封底，制成一支微型试管。

用T形三通管、乳胶管等把整个装置如右图所示连接好。

【操作】

（1）点燃酒精灯，对靠近试管口一端的木屑加热。

（2）片刻有白色雾状气流产生，不久可看到木焦油流入右侧的小试管。

这时点燃右侧上端出气口的气体，即能看到木煤气点燃后所产生的火焰。

整个实验三分钟左右即可完成。

【说明】

（1）如果没有木屑，可以用干燥的木条替代。

同样，木条也要填塞得紧一些。

（2）上述装置简单，操作容易、安全，现象明显，可用于学生实验。

（3）实验后沾附在试管壁上的木焦油较难用水洗去，可用氢氧化钠酒精溶液浸泡后洗涤。

一氧化碳还原氧化铜

【准备】取一段100～120mm的细玻管，先用嘴向玻管一端缓缓吹一口气，使玻管内壁附上一些水汽。

用玻管的另一端戳取少量氧化铜粉末，使该端朝上倾，用拍打法使氧化铜粉末渐渐下落，均匀涂在管内壁的四周。

取多用滴管吸取1～2mL甲酸，具支小试管内加入2～3mL浓硫酸。

把实验装置如左图所示安装好。

【操作】点燃酒精灯，加热具支试管底部的浓硫酸。

片刻后滴一滴甲酸，如果立即有大量气泡产生，就能暂停加热。

徐徐滴加甲酸，片刻后在出气尾端（尖嘴玻管）点燃一氧化碳气体，生成蓝色的火焰。

用该火焰加热沾有氧化铜粉末的部位，10秒钟左右就看到一片黑色的氧化铜被还原成红色光亮的铜。

该火焰温度比较高，玻管内得到的铜呈铜镜状。

【说明】在点燃一氧化碳气体时，为了防止气体不纯而发生意外爆鸣，可预先在出气尾端的细导管内塞一小团细铜丝，这样万一过早点火，爆鸣气体在回火退缩时，火苗可被细铜丝团拦截而熄灭。

大理石受热分解

【原理】大理石的主要成份是碳酸钙，它的热分解温度在860℃左右，所以一般酒精灯火焰不能使它分解。

选用前面介绍的自制微型煤气灯，则只要预先收集一小袋煤气，就可方便地演示该实验。

另外，如果能收集一小袋氧气并通过尖嘴玻管在酒精灯的灯焰上吹出一小束氧气焰，可以快速地使小块大理石分解。

【准备】收集一小塑料袋氧气。

用细玻管拉制一个尖嘴导管，尖嘴口的孔径小如针尖。

用橡胶管把氧气袋跟尖嘴导管连接在一起。

【操作】

（1）取两支试管，各加入适量蒸馏水，再分别滴加几滴酚酞。

在其中一支试管中投入一小颗大理石或一小块贝壳，酚酞试液没有什么变化。

（2）点燃微型酒精灯。

把尖嘴导管口对准火焰的中下部，按动氧气袋，就见到一束高温氧气焰（见下图）。

用坩埚钳取赤豆大小一颗大理石或一小块贝壳，放在上述高温火焰上灼烧，灼烧时可看到大理石表面发出耀眼的白光，片刻后停止鼓氧气。

（3）把灼烧后的大理石或贝壳投入上述另一支试管中，管内酚酞试液立刻变成深红色。

【说明】

（1）为了便于操作，可把喷氧气的尖嘴导管固定在一定的高度。

（2）如果灼烧贝壳，要选用陈旧的贝壳。

因为新鲜贝壳含有较多有机物，灼烧时会产生臭气。

氨的催化氧化

【原理】氨的催化氧化反应原理参见本篇课内实验“氨的催化氧化制硝酸”。

【准备】选两只10～30mL的透明空药瓶（只要无色透明，玻璃或塑料的都可以），作为盛放待反应的氨水和收集反应产物的容器。

取一段内径约6mm、长约100mm的玻管作反应管，管的中部装入一些三氧化铬作催化剂，用量在管内达10mm长。

催化剂的两端分别塞一些玻璃丝，防止催化剂被气流冲击而移位。

按上图所示装配好反应装置。

【操作】

（1）在反应管左边的小玻瓶里滴加浓度约20％的氨水3～5滴。

塞紧塞子后点燃微型酒精灯，对准催化剂部位加热。

反应管细，大约10～20秒，草绿色的催化剂渐变为暗灰色，说明催化剂已达到催化反应温度。

（2）用微型气唧或一只小洗耳球把空气慢慢鼓入导管。

空气进入盛氨水的小瓶，把氨气一起带入反应管。

这时催化剂随着气体的鼓入而发红。

移开酒精灯，催化剂仍随着反应的进行而维持红热状态。

这样鼓气约十多次，即可看到后面集气的小瓶中出现二氧化氮的棕色。

（3）在有棕色气体的小瓶里加入少量水，振荡，棕色褪去。

再滴加几滴蓝色石蕊试剂，指示剂呈现红色，说明二氧化氮溶于水生成酸性的物质（硝酸）。

【说明】氨的催化氧化演示实验装置有多种，大多比较复杂，往往要用2～3个铁架台才能把装置安装妥贴，其次操作要求也较苛刻。

改成微型实验，产生的二氧化氮量少，能采用敞开的容器收集产物，既能简化整个实验装置，又能方便操作，而且加热时间短，实验现象明显，药品用量少，能减轻污染。

上述实验万一失败（如催化剂中途冷却，集气瓶中产生白雾等），只要立即换一只集气瓶，又可重新操作。

本实验对氨水浓度要求不严，一般20％左右，加氨水的量可视室温略作调节，温度较低时氨水要多加一些。

硝酸铜的热分解

【原理】硝酸铜受热分解，生成氧化铜、二氧化氮和氧气，反应式是

【准备】取内径5～7mm的玻管，弯成一边长100mm，另一边长40mm的直角导管，把长边的一端加热封闭。

在长管里加入0.5g左右的干燥硝酸铜粉末。

取一个微型双球管（有市售，也可照图自己吹制），在两个球之间加入碱石灰，然后如右图所示连接好实验装置。

【操作】

（1）加热装有硝酸铜的导管底部，约半分钟后靠近导管一侧的玻璃球里充满红棕色气体。

当气流通过微型双球管底部的碱石灰后，红棕色消失。

（2）在另一个无色玻璃球里伸入带有火星的香条，香条立即燃烧起来。

在导管底部加热处有黑色物质生成。

【说明】

（1）这套实验装置还适用于其他硝酸盐（如硝酸钾、硝酸钠、硝酸银）的分解。

（2）实验时间短，一分钟左右就能完成。

（3）有毒的二氧化氮通过微型双球管的底部时被固态吸收剂吸收，能减少污染。

燃料电池

【原理】水电解后生成氢气和氧气，这时电能转变成化学能。

氢气、氧气或氢气、氯气能分别通过电极反应而产生电流，使化学能转变成电能。

水电解时，电解液如果选用1m0l／L氢氧化钠溶液，两极反应是

阴极：

2H2O＋2e＝H2↑＋2OH-

电解后断开电源，用电流表检测两极，会发现两极间有电流产生。

该电流由两极的化学反应所引起，两极反应和电解反应互为可逆。

负极：

2OH-＋H2＝2H2O＋2e

理论计算电压应为1.23V，实测电压约为1.15V。

由于电流很小，只能使发光二极管点亮（发光二极管的起辉功率约为1mW，即1.7V，0.6mA）。

但由于发光二极管起辉电压是1.7V，所以用碱液作电解质时，两个燃料电池串联后才能使二极管起辉。

如果用3％的硝酸钠作电解液（Na2SO4、KNO3等也可以），在电解水时，两极发生如下反应。

阴极：

2H2O＋2e＝H2↑＋2OH-

两极积满气体，拆去电源，使它放电，两极发生如下的反应。

负极：

H2＋2OH-＝2H2O＋2e

它的电压理论计算值为2.06V，实测电压约为1.95V。

这样不需要串联，只用一个电池就能使发光二极管起辉。

除了氢、氧能组成燃料电池外，氢、氯等气体也能组成燃料电池。

在这里，氢、氧的化学反应不采取直接化合而放出热能的形式，而是通过电极反应，间接化合，使化学能变为电能。

【准备】用有机玻璃片粘制一只25×12×40mm的塑料小盒，用作反应槽。

从一号电池里拆取两根炭棒，截成各为50mm的两段。

用坩埚钳夹住分别灼烧到透红后迅速投入冷水中，使炭棒活化（即表面变得粗糙多孔）。

在两段炭棒的一端各扎一根导线，另一端一起插入上述自制的反应槽中。

两根炭棒之间塞一些塑料窗纱，以防充电时短路（如下图）。

【操作】

（1）向反应槽内灌满3％的硝酸钠溶液，两根炭棒通过导线分别跟3～6V电源的正负极相接，使水发生电解。

（2）当两根炭棒表面附有较多的气体后拆下电源，把两根导线跟发光二极管连接，发光二极管即发光。

发光时间能维持约一分钟。

如果再次充电，就能再次使二极管发光。

【说明】电源可选用小号干电池。

发光二极管有正、负极之分，如果不能辨识，可直接用燃料电池接试，如不发光，说明电极接反了，交换一下电极就行。

摩尔气体常数测定

【原理】用已知质量的镁条跟过量的酸反应产生氢气。

把这氢气的体积、实验时的温度和压强代入理想气体状态方程式（pV＝nRT）中，就能算出摩尔气体常数R的值。

实验时的温度（T）和压强（p）可分别由温度计和气压计测得，氢气的物质的量（n）可以由镁的质量求得。

下述方法收集到的氢气混有水蒸气，根据分压定律可求得氢气的分压（p（H2）＝p（总）－p（H2O）），不同温度下的p（H2O）值可以查表得到。

【操作】

（1）精确测量镁条的质量

方法一：

用分析天平称取一段质量约10mg的表面被打亮的镁条（精确到1mg）。

方法二：

取1m长的镁带，表面用细砂纸打亮，称出质量（精确到0.1g）。

把这镁带剪成长10mm的小段（一般10mm的镁条质量不超过10mg），再根据所称镁带质量求得每10mm镁条的质量。

如果10mm镁条的质量超过10mg，再相应缩短到9mm或8mm。

把精确测得质量的镁条用一根细线系住。

（2）取一只10mL小量筒，筒口上配一个单孔橡皮塞，孔内插很短的一小段细玻管。

在量筒里加入2～3mL6m0l／L硫酸，然后十分仔细地向筒内缓慢加入纯水，把沾在量筒壁上的酸液洗下，使下层为酸，上层为水，尽量不混合，保证加满水时上面20～30mm的水是中性的。

（3）把系有细线的镁条浸入量筒上层的水里，塞上带有玻管的橡皮塞，使塞子压住细绳，不让镁条下沉，量筒口的水经玻璃导管口外溢。

这时量筒中和玻璃导管内不应留有气泡和空隙。

（4）用手指按住溢满水的玻璃导管口，倒转量筒，使玻璃导管口浸没在烧杯里的水中，放开手指。

这时酸液因密度大而下降，接触到镁带而发生反应，生成的氢气全部倒扣在量筒内，量筒内的液体通过玻璃导管慢慢被挤到烧杯中。

（5）镁条反应完后再静置3～5分钟，使量筒内的温度冷却到室温，扶直量筒，使量筒内水面跟烧杯的液面相平（使内、外压强相同），读出量筒内气体的体积数。

由于气体的体积是倒置在量筒之中，实际体积要比读数体积小约0.2mL，所以量筒内实际的氢气体积VH2＝体积读数-0.20mL（用10mL的量筒量取）。

（6）记录实验时的室内温度（t℃）和气压表的读数（P大气）。

【计算】

（1）根据化学反应方程式和镁条的质量算出生成氢气的物质的量（nH2）。

（2）按下列步骤计算氢气在标准状况下的体积查表得到室温下水的饱和蒸气压（PH2O），用下式计算氢气的分压（PH2）。

PH2＝P大气－PH2O

根据下式

把P1＝PH2，V1＝VH2，T1＝273＋t，P0＝100kPa，T0＝273K代入上式，得到标准状况下氢气的体积是

因此，摩尔气体常数（R）是

【说明】

（1）为了减小操作引起的误差，上述测定要测量三次，取平均值。

（2）用量长度的方法求算镁条的质量时，宜用表面没有被严重氧化的新镁带，用细的砂纸均匀地擦2～3次。

要防止镁带各部分厚薄不均匀。

（3）给量筒加水要慢，尽量不要搅动底部的酸液。

产生的氢气要等温度、压强和外界一致时再测量体积。

准确测量镁条的质量和生成氢气的体积，是本实验的成败关键。

煤油热裂化

【原理】长链分子的饱和烃在高温下会断裂成各种短链的气态烃和少量液态烃，其中含有乙烯、丙二烯、丁二烯等不饱和烃能使高锰酸钾溶液褪色。

【准备】市售煤油含有烯烃等杂质，能使稀高锰酸钾溶液褪色，因此预先要作精制处理。

取市售煤油15mL，放在分液漏斗中，加入3mL浓硫酸，塞好塞子后用力振荡分液漏斗约10分钟，并间断放气。

静置分层后把下层变成棕黄色的浓硫酸排放在小烧杯里，再次加入约3mL浓硫酸，重复上述操作，到下层酸液颜色明显变淡为止。

放掉酸层后加入5～10mL3mol／L氢氧化钠溶液，洗涤一次。

然后用蒸馏水洗涤几次，直到放出的水不再使酚酞变红为止。

精制后的煤油无色清亮，取几滴用稀高锰酸钾溶液检验，如果不褪色即可使用。

否则要按上述步骤再洗一次。

【操作】

（1）取一只预先洗净、烘干的废弃安瓿瓶。

用铜丝绕住安瓿瓶后留出一段作把柄。

把安瓿瓶放在酒精灯火焰上加热到灼热状态。

离开火焰后迅速在安瓿瓶内滴加1～2滴精制煤油，煤油受强热立即裂化、气化。

（2）取一支多用滴管，揿扁滴头后伸入安瓿瓶中，慢慢松开手指，使瓶中的裂化气徐徐吸入滴管中。

（3）将吸有裂化气的多用滴管插入一支加有1～2mL浅红色稀高锰酸钾溶液的小试管底部，将裂化气慢慢通入溶液底部，边通入、边振荡试管，溶液里的红色片刻褪尽。

（4）在另一支盛有稀高锰酸钾溶液的试管中滴入1～2滴精制煤油，振荡片刻后作对照。

【说明】安瓿瓶壁很薄，骤热骤冷一般不会破裂。

没有安瓿瓶，可以用薄壁玻质口服液瓶子代替。