摘要:本文介绍了泰国目前广泛运用的一套微型化学实验仪器,并与我国自主研发的具有代表性的两套微型试验仪器进行比对略论。通过比较略论说明了泰国的微型化学试验的发展近况及其优点,并简要讨论了我国微型化学实验发展存在的不足及今后的改进方向。
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关键词:微型实验;化学仪器
文章编号:1005-6629(2017)09-0006-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:C
第13届亚洲化学会议于2017年9月在中国上海举行,会上亚洲各国化学工作者向与会人员展示了本国化学学科的最新探讨进展。微型化学实验的相关展示是本次会议的一大亮点。其中由泰国朱拉隆功大学的Supawan Tantayanon 教授和马来西亚国民大学的Zuriati Zakaria教授共同研发的整套微型实验装置[1],以及利用这套装置所演示的微型实验获得与会人员的一致好评。而我国参会人员也展示了中国微型实验最新成果。本文将详细介绍泰国的这套微型实验仪器,并与我国现在广泛使用的相似功能的仪器进行比对,以期能为我国化学微型实验的发展提供一定的借鉴影响。
1泰国微型实验仪器的介绍
由泰国学者研发的这套装置与其他化学微型实验仪器的设计目的一致,是为了在实施化学实验的过程中减少试剂、水、电的用量,节约成本,减省时间,简化操作,降低危险系数,减少环境污染。这套仪器的设计科学合理,基本达到了上述这些目的,值得我国化学工作者借鉴学习。
如图1所示,整套微型仪器放置在一个长40 cm×20 cm×6 cm的小木箱中,由多个玻璃仪器和一套多用加热装置组成,所有玻璃仪器用黑色泡沫底板固定,既保证其稳定又便于取用。
这套装置中的一些玻璃仪器是由常规化学仪器直接微型化得到,例如微型冷凝管、微型圆底烧瓶、刻度试管等。还有部分仪器则是研发人员对传统仪器进行改进得到的,如真空接收管、锥底反应瓶等。使用这套玻璃仪器,所有的实验操作规范可基本保持不变,而试剂用量却比常量实验降低1～3个数量级。
仪器主要特点略论:
(1)仪器微小且体积精确,可减少药品和试剂的使用量。化学工作者利用这套微型化学仪器,可以完成主试剂1 mmol左右的有机制备、无机合成等实验,还可分离出馏分量在50 mL左右的馏液和升华提纯数毫克的固体。由于微型实验处理的物料量少,使用普通计量装置误差太大,本套仪器采用预先校准液滴体积的毛细滴管来进行液体计量和转移,以满足试验的精准度要求。
(2)独特的加热装置可满足多种需要。该套仪器配备了独特的电热板加热装置,包括加热炉、圆形铝热板、铁架台三部分。加热炉可以快速准确的调节温度,而铝热板则具有良好的传热性能,并且铝热板上具有大小不一的圆形卡槽,可以方便的固定各种尺寸的圆底玻璃器皿。另外,在铝热板边缘还有一个圆柱形铝合金盒,可以用来测量不同药品的熔点或沸点。在铝合金盒内装好待测药品后将其固定在铝热板上,加热后通过附带的温度计的读数就可以知道待测药品的熔点、沸点或升华温度,使用起来方便快捷。
(3)其微型真空装置可节约能源。在这套微型实验仪器中搭配了一个手泵真空过滤装置(如图2),安装好实验装置后,先排出洗耳球内空气,再将瘪的洗耳球出气口对准烧瓶的支管就能将支管内的空气抽出,在瓶内形成低压,从而可以进行减压过滤。这种措施,不需要外接动力装置抽走空气,节约能源,简单易行。
(4)适用范围广,设计合理精确。虽然这套仪器的部件较少,构造简单,但是它适用范围广泛,不同的部件可以搭配出不同的装置,满足不同实验的需要。它可以实施大部分的无机实验,如:常(减)压蒸馏、回流、分馏、升华、熔点及沸点测定等基本操作。以及大部分的有机反应,如:水解、酯化、缩合等。另外,这套仪器的玻璃器件的接口都采用标准磨砂接口和球形接口,安装方便,使用稳定。
(5)其便携性和通用性可以满足不同的要求。该套装置体积小,方便携带,安装简单,可以在不同场合快速进行实验。在泰国的推广过程中,由于它的趣味性和简单易行受到学生的广泛欢迎。
2 我国和泰国微型实验仪器的对比
自20世纪八十年代开始,微型实验所倡导的绿色化、微量化、创新性等思想被我国的化学工作者青睐。随着新课程倡导的“以生为本”“让学生自己动手主动参与实验”等观念的提出,越来越多的教育工作者在中学化学实验中开始尝试使用微型实验代替由教师演示的常规实验。微型实验由于具有能减少药品用量、节约时间、减少污染、降低危险系数、成本低及多功能性、组合灵活性等特点,尤其是基本符合在中学课堂让学生人手一套仪器进行试验的要求,因此得到广泛的重视。在新一轮课程改革所编写的新教材中也引用了一系列微型实验,如:人教版选修教材6《实验化学》第一单元“从实验走进化学”中的实验1-2《氯气的生成及其性质的微型实验》[2]。
随着我国微型化学试验的快速发展,科研人员也研发出多种配套的仪器装置。其中最具有代表性的是杭州师范大学研发的――塑料微型化学实验仪器(如图3a所示)和湛江师范学院研发的――微型实验仪器箱[3、4](如图3b所示)。
由杭州师范大学研发的这套仪器装置最大的特点是所有配件全部由塑料制成,整套装置轻巧、不怕摔、成本低。这套装置配备了独具特色的由弹性聚乙烯吹塑制成的微型多用滴管和多孔板,可以满足不同剂量的化学反应需要。而且这套装置是根据我国中学化学现行教学大纲基本要求研制,可以实施中学大部分学生实验,还能做部分演示实验,也适用于开展化学课外实验。与常规实验相比, 在做pH测定、乙烯气体制备和性质检验、微量滴定、原电池及电解反应、反应系数测定、探索物质成分等中学基础实验时药品用量少、现象明显、步骤简化、具有趣味性,获得了很多学校师生的一致好评。但是塑料材料的特性也限制了整套装置的使用范围,不能加强热,不宜使用一些特殊的试剂等。
由湛江师范学院研发的微型试验装置多数部件都是由玻璃制成。这套仪器最大的特点是研发了一套小巧精致,多功能性的微型玻璃仪器,可以用种类和数量都不多的仪器组合成类型繁多的实验装置,不仅能满足中学化学实验的需要,而且能满足学生自我创新的需要。
通过将三套不同微型实验装置的详细比对,从中可以发现我国和泰国化学试验探讨发展方向的相似点与不同点。中国和泰国都是致力于微型实验发展的国家,在这方面的发展历史和水平基本相当。中泰两国因学制和教学内容的差别,所研发的仪器运用的侧重点不同,泰国的这套微型实验仪器侧重于一些有机的分离、合成实验,而我国的微型实验仪器则是根据各个学制阶段的具体要求研发的针对性较强的仪器。
通过对三套不同实验装置对比略论,我们感到我国微型实验探讨工作者在以下几个方面还可以进一步地尝试改进:
(1)我国微型实验仪器一直以来都由于无稳定且持续的加热装置而不易在所有实验中普及(使用微型酒精灯不易控温且易受空气流动的作用),泰国的这套多用电热板加热装置给了我们很好的启示,我们以后可以进行类似的模仿和创新。
(2)我国的微型实验仪器大多来源于传统仪器的直接微型化,部分是在传统仪器的基础上进行改进或是借鉴外国仪器,自主研发能力有待加强,在保证仪器的普遍适用性的基础上,我们还要开发诸如锥底反应瓶,真空接受管等微型实验仪器,满足特殊试验需求。
(3)我国当前的微型实验仪器只覆盖到一些普通实验,仪器功能尚有欠缺。例如泰国这套仪器巧妙地使用了微型水泵,使得需要回流水的实验不受实验场地限制。而我国暂时没有类似的装置,在很多时候就不能满足需要。例如我们在做“石油分馏”演示实验时经常由于缺少相似的动力装置,不能进行完整的实验流程,作用了学生的理解,如果能应用像小水泵这样的动力装置我们就可以演示这个实验了。
(4)相比泰国这套装置的通用、易用、好用,我国目前开发的微型实验仪器目的性单一,通用性欠佳。这需要我国的科研人员集思广益,进一步加强合作,提升产品的通用性。
3总结
微型化学实验符合在中学课堂让学生人手一套仪器进行实验的要求。当前,新一轮课程改革提出进一步提高学生综合素质,这就要求加大学生亲自动手的机会。目前,国内已有部分中学尝试利用微型实验进行课堂教学,从学生的课堂反应和和教师测评结果来看,大部分都取得了较好的效果。所以,以后微型化学实验会更多的走进课堂面向学生。为此,需要化学工作者不断推陈出新,吸收国外的先进经验,研制出更多更实用的仪器装置,为提高学生科学素养创造条件。
参考文献:
[1]SupawanTantayanon. Small Scale Organic Laboratory [M].The 13th Asian Chemical Congress, 2017:337～338.
[2] 人民教育出版社课程教材探讨所.普通高中课程标准实验教科书(选修⑥)[M].北京:人民教育出版社,2017.,8～10
[3] 陈均洪.化学活动课及微型实验设计与实践[M] .北京:北京民主与建设出版社,1999:10～11.
[4] 周怀宁.试析第四届微型化学研究会[J] .内蒙古:内蒙古民族大学学报,2017,(4):5～6.
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