摘要：尝试利用高吸水树脂对“酸碱中和反应、碳酸钠和碳酸氢钠分别与稀盐酸反应、探究分子运动现象”这3个实验进行创新改进,充分利用了高吸水树脂特殊的结构作用,使3个实验的现象更加显着。改进实验操作简便,高效简洁,值得推广到一线化学课堂的演示实验或学生分组实验。
关键词：高吸水树脂; 实验改进; 中学化学; 酸碱中和反应;
Improvement of Three Chemistry Experiments in High School Using Super Absorbent Resin
JIA Guang-Di TIAN Ya-Ling AI Jin-Da XIONG Hua LU Tian-Yu
Shenzhen Henggang Central School Shenzhen Longgang Longyuan School Affiliated to Central China Normal University Shenzhen Longgang Education Bureau Tiancheng School of Longgang Shenzhen
Abstract：This paper used super absorbent resin to improve the design of three experiments “an acid-base reaction, sodium carbonate and sodium bicarbonate reacting with dilute hydrochloric acid respectively, exploring molecular motion phenomena”. The super absorbent resin, with a special structure, made experimental phenomena more obvious. The improved experiment was easy to operate and with high efficiency, and was worth extending to the demonstration experiment and the group experiment.
高吸水树脂(supper absorbent resin,简称SAR)是指具有可吸收相当于自身几百倍甚至上千倍液态水,且能保持一定持水能力的高分子聚合物。关于高吸水树脂的研究,研究者主要有工农业生产技术专家或高等院校研究人员,研究内容主要包括吸水机理[1]、研究成果及应用情况[2,3,4]、吸水树脂材料的创新(包括产品合成工艺创新、原材料创新、应用创新)等。“高吸水树脂”是中学生在生活中常见而又“陌生”的化学物质,文献调研发现,较少化学同行将高吸水树脂这种材料应用到初中化学教学活动中。《义务教育化学课程标准(2011年版)》强调了高分子合成材料是“化学与社会发展”这一主题的学习情境素材[5],但未明确指出高吸水树脂。《普通高中化学课程标准(2017年版)》,在“简单的有机化合物及其应用”这一学习主题上,建议进行“吸水性高分子材料与常规材料吸水能力的比较”探究活动[6]。因此,尝试运用高吸水树脂优化某些中学化学实验。
1 改进实验1:酸碱中和反应
中和反应是初中化学的重要概念,在此之前,学生学习了酸和碱的性质。义务教育化学人教版(2012年)教材设计探究酸和碱的反应这一实验,一方面通过宏观实验引导学生继续学习酸和碱的化学性质,有助于学生从宏观深入微观本质,理解中和反应的实质。另一方面,启发学生借助指示剂等设计实验方案,深化学生的实验探究能力。
常见的改进[7,8]将多种传感器与数据采集器连接,数据采集器与计算机连接,打开计算机上相关软件,把温度传感器或pH传感器插入反应溶液中,以数据与曲线表征化学变化过程。改进让实验现象数据化、可视化,对装备配置要求较高。有的改进[9]利用注射器作为反应容器,以紫色石蕊溶液作为指示剂,微型化且节约药品,但较难观察到渐变色(蓝色→紫色→红色)。
1.1 “中和反应”改进设计
实验用品:小试管、胶头滴管、酚酞试剂、稀NaOH溶液、5%盐酸、高吸水树脂球。利用高吸水树脂材料对此实验进行了2种改进,实验方案设计见图1。
图1 利用SAR改进“中和反应”的2种实验方案
1.2 实验操作步骤
方案1的实验步骤:
(1)将高吸水树脂球浸泡在酚酞溶液中,2 h后用镊子取出,使用蒸馏水冲洗,再放入蒸馏水中浸泡,5 min后取出备用;
(2)取一个酚酞树脂球放进小试管中,向其中加入1～2 mL的稀NaOH溶液,观察现象;
(3)待步骤(2)现象不再变化之后,向试管中加入约2 mL的5%稀盐酸,观察现象。
方案2的实验步骤:
(1)将高吸水树脂球浸泡在NaOH和酚酞的混合液中,1 h后用镊子取出,使用蒸馏水冲洗;
(2)取出一个NaOH和酚酞混合树脂球放入试管中,再向试管中加入约2 mL的5%稀盐酸,观察现象。
1.3 实验现象及分析
方案1的实验现象如图2所示,无色的酚酞树脂球滴入NaOH溶液,小球的表面马上变成红色,颜色“由表及里”地变红。在加入盐酸后,红色又“从外到内”逐渐地消失。
图2 “中和反应”改进方案1的实验现象
方案2的实验现象如图3所示,NaOH溶液与酚酞混合的树脂球,刚刚浸入稀盐酸时呈深红色。1 min之后,小球外圈变成无色,整个小球颜色变为浅红色;2 min之后,红色范围逐渐变小;红色恰好完全褪去时表明反应结束。“深红→浅红→无色”的颜色渐变十分显着。
图3 “中和反应”改进方案2的实验现象
1.4 改进优点
(1)高吸水性树脂本身具有的亲水基和疏水基与水分子相互作用形成自为水合状态。树脂的疏水基部分可因疏水作用而易于折向内侧,成为不溶性的粒状结构, 疏水基周围的水分子形成与普通水不同的结构水[1]。在这一种不同结构的水中,氢离子和氢氧根离子的运动减缓了,现象的观察像自动加上了慢播镜头,让学生感受到反应的慢节奏,“深红→浅红→无色”,仿佛看到离子在运动、在结合。实验现象慢且显着,有利于学生由宏入微,为理解中和反应的微观本质打下基础。
(2)反应试剂用量少,操作简便,便于组织学生进行分组实验。
1.5 实验注意事项
(1)由于高吸水树脂对有机溶剂(酚酞)的吸收效率相对较低,因此方案1的现象没有方案2的明显。
(2)制作NaOH溶液树脂球时,浸泡的试剂瓶要盖好瓶塞,否则会导致树脂球表面吸收空气中的CO2而变质生成Na2CO3。
2 改进实验2:碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应
Na2CO3、NaHCO3分别与盐酸反应这一实验贯穿初高中化学。义务教育化学人教版(2012年)教材设计的实验,主要是为了探讨碳酸盐(或碳酸氢盐)能否与稀盐酸发生反应。高中《化学1(必修)》(人教版)设计这一实验,证明了Na2CO3和NaHCO3都能与稀盐酸反应,且NaHCO3与稀盐酸的反应要比Na2CO3与稀盐酸的反应剧烈得多。
有的改进[10]巧用气球,将2个装有Na2CO3或NaHCO3粉末的小气球分别套在2支试管口。有的改进[11]即利用青霉素小瓶将装置微型化,通过瓶中气泡产生的速度来观察气体产生速率。还有的改进[12]采用W形管,将固体和液体药品分开,再竖立,观察气球的鼓起和气压探测仪的数据变化了解气体产生的情况。这3种改进均可看见气泡快速冒出,但速率过快,不能够实现“边演示、边观察、边讲解”。
2.1 “Na2CO3、NaHCO3分别与盐酸反应”改进设计
实验用品:烧杯2个、4%的碳酸钠溶液、4%的碳酸氢钠溶液、5%的盐酸、高吸水树脂球。实验改进设计见图4。
图4 利用SAR改进“Na2CO3、NaHCO3分别与盐酸反应”
2.2 实验操作步骤
(1)配制质量分数同为4%的Na2CO3溶液和NaHCO3溶液;
(2)将高吸水树脂球分别浸泡在2种溶液中,2 h后取出,分别装入广口瓶,贴好标签备用;
(3)分别取出一个Na2CO3树脂球和一个NaHCO3树脂球放入2只烧杯中,各加入15 mL稀盐酸,观察现象。
2.3 实验现象及分析
实验现象如图5所示,Na2CO3树脂球和NaHCO3树脂球和稀盐酸接触后,球的表面都有大量气泡产生。清晰地看见,在相同时间内,NaHCO3树脂球上分布的气泡更多,说明Na2CO3溶液和NaHCO3溶液均可以与稀盐酸反应生成气体,且NaHCO3与稀盐酸反应更加剧烈。
图5 “Na2CO3、NaHCO3分别与盐酸反应”的改进实验现象
2.4 改进优点
(1)由于高吸水树脂在结构上是轻度变联的空间网络结构,它是由化学交联和树脂分子链间的相互缠绕物理交联构成的[1],能够把生成的大量气泡“锁定”在球体。使得产生气泡的速度减缓,可视化地看清气泡的大小和数量。
(2)改进实验操作简便快捷,新材料可增加新鲜感,现象美如画面,创造化学反应美的体验,加深学生对2者反应快慢的印象。
3 改进实验3:探究分子运动现象
义务教育化学人教版(2012年)教材九年级上册第三单元课题1“分子和原子”,为探究分子的特点设计了用3只烧杯完成的“分子运动现象”的实验。
经典的改进有2种。第一种,将酚酞润湿的棉线置于硬质玻璃管中,一端连接浓氨水、另一端连接尾气处理装置,以棉线逐渐变红来示意分子的运动[13]。这种改进能看到明显的实验现象,但是药品用量较大。另一种改进[14]用铁丝与棉花制作“梨花树”,将其中一个注射器中的浓氨水推入废弃塑料饼干罐中,梨树即变红。“梨花树”制作烦琐,只用一次,产生浪费。另外实验结束时注入盐酸吸收氨气时,盐酸会腐蚀铁丝生成氢气,安全性也有待检测。
3.1 “分子运动现象”实验的改进设计
实验用品:锥形瓶、胶头滴管、双孔塞、注射器、塑料网、酚酞溶液、浓氨水、5%的盐酸、高吸水树脂球。
3.2 实验装置设计
改进设计如图6所示,装置组装分3步:胶头滴管用水湿润后,插入单孔橡胶塞,穿挂带孔塑料网;再将装有5%稀盐酸的注射器插入橡胶塞,针头穿透胶塞,胶塞与锥形瓶连接;在锥形瓶的外壁,用胶水黏挂一个带孔塑料网(用来盛放酚酞树脂球,形成对比)。
图6 利用SAR改进探究“分子运动现象”实验
3.3 实验步骤
(1)高吸水树脂浸泡在酚酞溶液中,2 h后取出,使用蒸馏水冲洗,放入蒸馏水中浸泡5 min后取出备用;
(2)用胶头滴管吸取少量浓氨水,在塑料网中放入1～2个酚酞树脂球,再用注射器吸取少量稀盐酸,插入胶塞;
(3)将胶头滴管中的浓氨水挤入锥形瓶中,观察现象;
(4)实验完成后,将注射器中的稀盐酸推入锥形瓶中,振荡,充分吸收多余的氨气。
3.4 实验现象及分析
将胶头滴管中的浓氨水挤入锥形瓶之后,锥形瓶内塑料网上的酚酞树脂球渐渐地“由表层到内部”变成红色,而锥形瓶外的树脂球无变化(见图7)。说明氨分子不停地运动,遇见酚酞溶液树脂球,生成碱性物质使无色酚酞变红。
图7 利用SAR改进探究“分子运动现象”的实验现象
3.5 改进优点
(1)试剂用量少,节约药品。密闭装置,同时还能处理尾气,污染少。
(2)新材料的加入使得实验现象富有层次感,激发学生对新材料的好奇心。
4 反思与启示
高吸水树脂有独特的三维网络结构,具有吸水性和保水性,可改变水中离子反应的速率。经过实践我们发现,高吸水树脂可应用于改进发生在溶液中的部分化学反应,使实验现象更显着,可观察。目前,高吸水性树脂发展迅速,品种繁多。但我国所需的高吸水聚合物大部分仍需要进口。在中学化学实验中引入高吸水树脂材料,展示高科技材料的魅力,能够拓宽学生视野,激发学生探究高科技材料的兴趣,培养创新型化学人才。
参考文献
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