核心术语◆实验问题〓◆反应原理〓◆最佳反应条件〓◆装置改进
◆环保化〓〓◆过程优化〓◆创造性思维
化学实验是一定历史时期教学和科研的成果。随着社会的发展，经验的积累，化学教学内容的更新以及化学课程目标的发展，对化学实验提出了更高的要求。尤其从培养探究能力、创新精神和实践能力的需要来看，中学化学教材中的实验还需进一步改进与创新。如过多的验证性实验，安全性能不高的实验，缺乏环保的开放型装置实验，成功率不高的实验，现象不明显的实验等都需要改进和创新。此外更需要创新一些有利于知识的理解，密切联系日常社会、生活、生产，有利于培养学生化学科学素养的新实验。因此改进与创新化学实验应是化学实验设计着重考虑的问题。
一、 化学实验改进与创新的原则
化学实验设计中改进与创新除应遵循实验设计的目的性原则、可行性原则、简约性原则、安全性原则和直观性原则外，还应遵循探究性原则。这是因为探究性实验的一个重要功能就是培养学生的探究能力、创新精神，培养和训练学生的科学态度和科学方法。为此，在条件允许的情况下，应尽量将教学中的实验由验证性改为探究性，这就是实验改进与创新的探究性原则。
二、 化学实验改进与创新的策略
化学实验改进与创新方案的构思、设计是一种开放式的、创造性的思维活动，其策略和方法也没有固定的模式可循。下面仅结合化学实验改进与创新的类型进行介绍。文庆城.化学实验教学研究［M］.北京： 科学出版社，2005： 4249.
（一） 依据教学中实验问题策略
问题策略指化学实验改进与创新的课题应主要来源于化学实验教学的实践，在实验教学和实践中发现问题、提出问题，开展行动研究，通过改进与创新去解决问题。例如，铜片与浓H2SO4在加热条件下反应，通常会有黑色的物质生成，有时还会有白色物质析出，这与教材提供的反应原理有悖。这是为什么？如何通过改进实验避免黑色物质生成，且使反应后的溶液呈蓝色，从而较好配合铜与浓硫酸反应一般规律的教学，这就成了改进与创新实验的一个课题。此外按苏教版教材装置进行实验容易发生倒吸现象，尾气污染危害师生的健康等。问题策略要求师生要善于发现问题，更要注意对问题进行研究，具有抓住问题不放的探究精神，这也是培养学生问题意识、创新精神的重要途径。
铜与浓硫酸反应实验的创新设计谭文生.铜与浓硫酸反应实验的创新设计［J］.化学教学，2012（8）： 4849.
铜与浓硫酸反应的实验是中学化学教学的一个重要演示实验。为成功地做好该实验，有许多化学教师对实验进行了有益的探索和改进，但从使用情况来看，仍有美中不足，如存在装置复杂、准备烦琐、操作不便、实验现象不够明显等问题。为了达到绿色环保、现象明显、操作简便、能重复操作和有效调控反应进行等目的，设计了新的实验装置。
1. 实验用品
广口瓶、玻璃导气管、T形管、止水夹、橡皮塞、酒精灯、双球干燥管、铜丝、浓硫酸、NaOH溶液、品红溶液、蒸馏水。
2. 实验装置
实验装置如图33所示。
双球干燥管通过T形管与广口瓶相连接；广口瓶（内装NaOH溶液）在实验时起到吸收尾气和充当装置底座的作用。T形管的上端连接一段带玻璃珠的乳胶管，通过操作玻璃珠的开关，可利用外界大气压来平衡实验装置内部的气压，防止倒吸。铜丝的一端从干燥管的出气管口伸入球泡B内，再设法把伸入端弯拆成一定角度使之能插入浓硫酸中。露在管外的铜丝和带有止水夹的乳胶管相连，包裹在乳胶管内的铜丝，借助铜丝与乳胶管内壁之间的摩擦力，可使铜丝固定在一定位置而不随意转动。
3. 实验操作
图33〓铜与浓硫酸反应的实验装置
（1） 按图33所示搭建好装置，检验装置的气密性。
（2） 广口瓶加入适量NaOH溶液，在双球干燥管的球泡A内加入适量品红溶液，球泡B内加入适量浓硫酸。
（3） 关闭止水夹，先用酒精灯加热干燥管球泡B内的浓硫酸（在加热浓硫酸时铜丝转向上，不和浓硫酸接触），当浓硫酸加热到接近沸腾（此时可以看到试管中有大量气泡并产生白雾）时，用手指捏住乳胶管内的铜丝使之转动至铜丝向下与浓硫酸接触，反应立即发生，并产生大量气泡。
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（4） 当观察到品红溶液开始褪色时，转动铜丝向上与浓硫酸分离，同时撤掉酒精灯。在此过程中，如发现广口瓶内的NaOH溶液发生倒吸（沿导管缓慢上升）时，可立即挤捏玻璃珠让空气进入广口瓶中，防止溶液倒吸。
（5） 当观察到干燥管球泡A内的品红溶液接近完全褪色，打开止水夹，用洗耳球从乳胶管口向装置内吹入空气，以排尽干燥管中的SO2尾气让广口瓶中的NaOH溶液吸收。
（6） 用酒精灯加热干燥管球泡A内褪色的品红溶液，溶液又恢复为红色，证明反应中产生的气体是SO2。
（7） 取出铜球，浸入稀硫酸中，铜丝表面的黑色固体溶解，溶液变为蓝色，即Cu丝与浓硫酸共热时被氧化为CuO；取下双球干燥管，倒出管中的溶液，用滴管吸蒸馏水注入球泡B内附着的白色固体上，溶液变为蓝色，证明白色固体是无水硫酸铜。由此可推断出铜与浓硫酸反应方程式为：
Cu+H2SO4（浓）CuO+SO2↑+H2O（加热）
CuO+H2SO4CuSO4+H2O
4. 实验优点
（1） 具有简约性。本实验中的广口瓶和干燥管均起到了一器二用（广口瓶内装碱液用于吸收有害气体，同时广口瓶又充当了整个装置的底座；双球干燥管的球泡分别用于铜与浓硫酸反应和验证SO2使品红褪色的容器）的作用，实验所需仪器少，仪器组装简单，减轻了准备实验的负担。
（2） 具有可控制性。通过铜丝的灵活转动，可根据需要随时停止反应，避免药品浪费；通过乳胶管内的玻璃珠的开关，可平衡实验装置内部气压，从而能有效防止倒吸，让实验的安全性有了保障。
（3） 具有环保性。仪器的连接可保证装置的气密性完好，产生的SO2尾气能被广口瓶的氢氧化钠溶液完全吸收，拆卸装置或换班实验时不会产生污染。
（4） 具有直观性。用双球干燥管作反应器，由于架设位置高，便于学生集中注意力清楚地观察管中的反应现象。
（二） 依据反应原理的策略
化学反应原理是化学实验设计中的核心要素。化学实验改进与创新中化学反应物的优选，化学操作过程的优化，化学实验装置的改进，都与反应原理密切相关。因此，研究反应原理，依据反应原理对实验进行改进与创新就是抓住了实验的本质，成败的关键，是化学实验改进与创新的重要策略。例如： 用无水醋酸钠（CH3COONa）和碱石灰制备甲烷（CH4）时，常会发生产气少、速度慢、燃烧火焰带黄色，有时甚至会使高锰酸钾（KMnO4）溶液及溴水褪色，出现与理论不相符的现象，而使实验失败，对此实验的改进与创新可从制取甲烷的化学反应原理入手。
制取CH4的反应为：
副反应为：
由上述主、副反应可看出，当氢氧化钠（NaOH）量不足，且加热过锰时，就会发生两分子CH3COONa结合生成丙酮（CH3COCH3）和碳酸钠（Na2CO3）的副反应。想要保证CH4的生成就必须保证有足量的NaOH与CH3COONa反应。要减少CH3COCH3的产生在足量的NaOH的基础上，就应缓慢加热。而市售的碱石灰是由氢氧化钠与氧化钙熔和的混合物，NaOH含量只占总量的1/7左右，且碱石灰容易变质，实验室里的碱石灰中的NaOH不能满足CH3COONa脱羧反应的需要，因而发生副反应，生成CH3COCH3。此外，理论和实践研究表明，上述制备反应在无水条件下利于CH4的生成。氧化钙（CaO）在制备过程中正是起着吸收水分的作用，同时也起着稀释混合物的浓度、减少NaOH固体在高温时对环境试管的需要的作用。因此，对实验的改进与创新就可针对上述实验原理，对碱石灰的使用加以改进。
甲烷制备实验条件优化封享华，等.甲烷制备实验条件优化［J］.化学教学，2013（1）： 5759.
传统的甲烷制备方法是1药匙研细的无水NaAc和3药匙研细的碱石灰混合加热制备。在实际操作中，普遍存在甲烷不能产生或者产气率低、产气速率慢；副产物多（气体能使酸性KMnO4溶液褪色，点燃时火焰呈黄色）；试管破裂以及反应后试管不易洗涤等四方面的问题。针对实验存在的四方面问题，过去的研究往往注重了单一或少数问题的解决，而忽略了问题的全面解决；对加热过程中NaAc和NaOH状态发生变化的认识不足，不能解释试管破裂的原因；对NaAc·3H2O的性质了解不够，没能给出适宜的烘干温度。
1. 主要实验仪器与药品
铁架台、电子天平、酒精灯、研钵、止水夹、量筒、试管、集气瓶；NaAc、CaO、NaOH、碱石灰、0.05%高锰酸钾酸性溶液、铝箔。
图34〓实验装置图
2. 实验方法
将NaAc、NaOH、CaO、碱石灰分别研细，于烘箱烘干（130℃，2小时），烘干后置于干燥器中备用。按下列实验步骤操作。
（1） 按比例定量称取经前处理的NaAc、NaOH、CaO于研钵，在通常研磨的情况下研磨一定时间，快速称取一定量的混合物，并置于硬质大试管，按图34用酒精灯加热一定时间，观察试管在加热过程中是否发生破裂，测定量筒中水的体积（扣除空白，空白值约为21mL）。
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（2） 加热完毕，关闭止水夹1和止水夹2，拆下止水夹2与大试管之间的橡皮管连接，在橡皮管上连接尖嘴玻璃管。
（3） 打开止水夹2，将气体点燃，观察火焰颜色；用尖嘴玻璃管将气体通入3mL 0.05%高锰酸钾酸溶液，观察溶液颜色变化。
（4） 洗涤试管，判断洗涤的难易程度。
3. 实验结果与讨论
（1） 水的存在对甲烷产气量的影响
将0.400g未干燥NaAc［该NaAc经130℃烘干后失重45.0%，超过NaAc·3H2O含水（39.7%）］与1.200g干燥的碱石灰或其替代物（0.195g NaOH+0.195g CaO）加热10.0min，均不能产生甲烷气体。这主要是由于NaAc中水的存在阻止了游离基反应的进行。
相同条件下，改用干燥的NaAc与碱石灰反应能产生11mL甲烷，用NaOH与CaO的混合物代替碱石灰能产生101mL甲烷气体。用NaOH与CaO的混合物代替碱石灰之所以有很高的产气量，除了与市售碱石灰［Ca(OH)2NaOHH2O］中NaOH含量有关外，还与替代物中CaO对水的吸收有关（NaOH在短暂的操作过程中会吸水）。
图35〓CH4体积随研磨时间的变化
m（NaAc）=0.400g，m（NaOH）=0.195g，m（CaO）=0.234g，Time（反应）＝10.0min
图35的结果也证实了研磨过程中NaOH对水吸收并引起CH4产量的改变。在研磨时间为0.5~1.0min范围内，CH4产量随研磨时间的增大而显著减小，研磨时间在5min以后，甚至不产生气体。
需要说明的是，当NaAc、NaOH、CaO不进行研磨（研磨时间为0min），直接混装加热时，试管破裂，没有收集到气体。
综上所述，实验前必须将反应物干燥，其中，NaAc的干燥温度必须在123℃以上（NaAc·3H2O在该温度下开始失水），并用NaOH、CaO替代碱石灰。混合物研磨时间控制在0.5min左右，并快速装填于试管。
（2） 加热时间与产气量的关系
在m(NaAc)=0.400g，m(NaOH)=m(CaO)=0.195g，研磨时间为0.5min条件下，混合物从开始加热到开始产生甲烷气体大约需要近2min的升温时间，在2.0~6.0min范围内，产生气体较快，6.0min时，产生甲烷89mL，继续加热到10.0min，甲烷也只增加到97mL。因此，在实验过程中控制加热时间为6min即可。
〓〓
（3） NaAc与NaOH的比例对实验效果的影响
由表31可知，在固定NaAc用量的情况下，随NaOH用量的增大，试管更易损坏，试管的洗涤更困难，气体点燃后的颜色由黄色逐渐转变为正常的蓝色，气体通入酸性KMnO4后，颜色褪去转变为不褪色，在试管不损坏（有裂纹的情况下，甲烷气体可能会泄露）的前提下，甲烷的产气率逐渐增加。
甲烷制备实验的反应是一级均裂脱羧的自由基链式反应，可用如下反应式表示：
〓〓〓〓〓〓〓〓CH3COONaCH3·+·COONa（1）
〓〓〓〓〓〓〓〓CH3·+NaOHCH4+·ONa（2）
〓〓〓〓〓〓〓〓·ONa+CH3COONaCH3·+Na2CO3（3）
〓〓〓〓〓〓〓〓CH3·+CH3COONaCH3COCH3+·ONa（4）
〓〓〓〓〓〓〓〓CH3·+CH3·C2H6（5）
气体点燃后的颜色呈黄色以及气体能使酸性KMnO4溶液褪色都是由于反应过程中产生的副产物丙酮所导致，NaOH越多，对CH3·的竞争有利于（2） 式产生甲烷，不利于（4）式产生丙酮。所以，NaOH越多，甲烷产生量越大，副产物丙酮产生量越少。
甲烷制备实验中，对于试管破裂的原因，目前的文献都没有给出相应的解释，课题设计了如下实验： 在不加入CaO（CaO不参与主要反应，却掩盖了NaAc与NaOH在加热过程中的状态变化）的情况下，NaAc与NaOH混合直接加热。实验发现，加热过程中混合物逐渐融化（NaAc与NaOH的熔点分别为324℃和318.4℃），且在融化前几乎不产生甲烷气体，但在熔融后，却快速产生甲烷气体，且多次这样的实验试管均不破裂。因此，NaAc与NaOH生成甲烷的反应主要是在液相的情况下发生，试管破裂的主要原因不是NaOH对试管的腐蚀作用。
在有CaO存在的甲烷制备实验中，由于NaAc与NaOH的融化需要潜热，且液相的升温滞后于试管，导致加热过程中液相的温度显著低于试管温度，当液相的流动接触试管时，较大的温差会导致试管破裂。
因此，NaOH用量越大，液相量越多，流动性越大，试管的腐蚀和破裂程度增大。
综合考虑反应制取甲烷的纯度、产率、试管的破裂程度和洗涤难易程度，NaAc与NaOH的质量比为2.05∶1（物质的量之比为1∶1）时为最佳反应比例，并建议适度减缓升温速度，降低液相与试管之间的温差。
表31〓NaAc与NaOH的比例对实验结果的影响
m(NaAc)=0.400g，m(CaO)=0.195g，Time（反应）=10.0min，Time（研磨）=0.5min
m(NaOH)/(g)0.0980.1180.1370.1560.1750.1950.2150.2370.254
n(NaAc)/n(NaOH)1∶0.51∶0.61∶0.71∶0.81∶0.91∶11∶1.11∶1.21∶1.3
m(NaAc)/m(NaOH)4.1∶13.39∶12.93∶12.56∶12.28∶12.05∶11.86∶11.71∶11.58∶1
试管外观完好完好完好完好完好完好裂纹裂纹破裂
甲烷（mL）35466973881019185
产气率（%）57.763.269.475.280.783.375.170.1
火焰颜色亮黄淡黄淡黄淡黄蓝色蓝色蓝色蓝色
KMnO4褪色褪色褪色不褪不褪不褪不褪不褪
试管洗涤较易较易较易较易较易不易很难很难
〓〓
（4） CaO用量对实验效果的影响
表32可知，在试管完好的情况下，甲烷产气率随着CaO用量的增加而减小，随着CaO用量的增加，试管外观却不易损坏，试管更易于洗涤。
表32〓CaO用量对实验效果的影响
m(NaAc)=0.400g，m(CaO)=0.195g，Time（反应）=10.0min，Time（研磨）=0.5min
m(CaO)(g)0.1170.1370.1560.1950.2340.2730.312
m(NaOH)/m(CaO)1∶0.61∶0.71∶0.81∶11∶1.21∶1.41∶1.6
甲烷（mL）87101959184
产气率（%）71.883.378.375.169.3
试管外观破裂破裂裂纹完好完好完好完好
试管洗涤难不易较易较易较易
CaO在实验中的作用主要有四个方面： 一是CaO具有稀散作用，降低NaOH在混合物中的比例，减弱NaOH对试管的腐蚀作用；二是分散和固定液相，降低液相的流动性，减弱或防止试管的腐蚀和破裂；三是CaO具有吸水作用，生成Ca(OH)2而降低水对实验的影响；四是CaO能够增加透气性，有利于甲烷逸出。
显然，CaO用量的增加，不利于NaAc与NaOH的有效接触，不利于甲烷产生。但CaO用量的增加却有利于对液相的固定，有利于试管不受损坏，有利于试管洗涤。
综上所述，制备甲烷反应物NaAc、NaOH、CaO的质量比在2.05∶1∶(1~1.4)范围内最为适宜。
（5） 反应物总量对实验的影响
在m(NaAc)∶m(NaOH)∶m(CaO)=2.05∶1∶1.2，反应时间为10.0min，研磨时间为0.5min情况下，改变固相混合物总量分别为0.42、0.63、0.84、1.05、1.26、1.47、1.68g，甲烷产率从80.8%逐渐升高到84.2%。因此，在一定范围内，反应物总质量对甲烷产率影响不大。
(6) 铝箔的使用对实验的影响
从已有实验可知，三种物质无论在什么比例下，反应对试管都有腐蚀，只是严重程度不同而已，为解决这一问题，有研究者将固体混合物置于铝箔内包裹，放入试管底部进行加热。本课题也做了类似实验，实验表明，有铝箔的试管不被腐蚀，洗涤容易，且铝箔是否存在对甲烷产率影响不大，但铝箔腐蚀严重。
实验还将NaOH与铝箔直接在试管中加热，直到NaOH熔融，发现铝箔上产生大量气体（H2），由于H2也具有可燃性，可能会引起学生的误解，因此，不建议使用铝箔。
4. 结论与建议
甲烷制备实验的反应主要是在NaAc与NaOH熔融的情况下发生；试管破裂是液相流动接触试管，液相与试管的较大温差所致。防止水分在反应物中的存在是实验成功的关键，建议将碱石灰改为NaOH与CaO的混合物。
实验的最适宜条件是： NaAc、NaOH、CaO固体分别研细后在130℃条件下烘干2小时，其适宜质量比为2.05∶1∶（1.0~1.4），混合物研磨时间0.5min，迅速装填于试管，加热时间6min。
（三） 探索最佳反应条件的策略
一个实验的成功，首先决定于反应物自身的性质，其次是外界诸多实验条件、实验操作的影响。因此，实验的改进与创新离不开对实验最佳反应条件的探讨。影响化学反应速率及其程度，以及实验现象鲜明、准确的外界条件很多，常见的有反应物的浓度、纯度、反应物的用量比、反应物件的接触面积、反应温度、反应体系压强、催化剂等。要改进和创新某些实验，保证实验成功，提高实验的教学质量，就必须针对影响实验成败的条件进行分析研究、探究，寻找出最佳实验条件。
苏教版《实验化学》教材中引进了经典的振荡实验——“蓝瓶子”，试讨论如何探讨该实验的最佳反应条件，验证该振荡反应的机理并探究影响该振荡反应的影响因素。
（四） 实验装置的改进策略
实验装置是实验的载体，是影响实验的又一重要因素，因此，对实验的改进与创新自然离不开实验装置。改进与创新实验装置一般有如下常见策略。
1. 简约化策略
这种策略就是简化某些常规实验装置。在不影响实验效果的前提下，尽量采用仪器设备少、用药少、装置简单或微型的实验装置。
炭还原氧化铜实验的简易做法陆燕海.炭还原氧化铜实验的简易做法［J］.化学教学，2013（1）： 47.
炭还原氧化铜实验是中学化学教学中的难点实验，因成功率偏低而被广泛讨论。该实验不易成功的主要原因是，反应属固相反应只在界面进行，引发反应需要的温度也较高，普通的酒精灯很难达到。已有改进后的方案实验效果虽有所提高，但仍不够理想，要么反应时间长，要么操作复杂，要么现象不明显，要么实验成本较高，无法满足实际教学的要求。这里介绍一种炭还原氧化铜实验的新做法，不但大大简化操作，也提升了实验的趣味性。
图36〓实验装置图
1. 药品仪器
药品： 石墨棒、氧化铜粉末、铝箔纸。
仪器： 镊子、酒精灯、药匙。
2. 实验过程
（1） 截取一张10cm×6cm的铝箔纸。摊平铝箔纸，放上石墨棒，并覆盖上1~2g黑色的氧化铜粉末。按图36方式，把铝箔纸卷起，包裹住石墨棒（取自废弃的干电池）成圆柱形，然后用手将圆柱两端的铝箔卷紧封口。
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（2） 用镊子夹持铝箔一端，并用酒精灯外焰充分加热2~3min。静置，冷却至室温后，打开铝箔纸，原黑色氧化铜粉末变为红棕色。
（3） 若用铝箔纸只包裹少量氧化铜粉末，重复上述（1）、（2）操作，黑色固体并不变色。对比实验说明，该实验条件下铝箔并不能置换出氧化铜中的铜。
3. 方法评价
炭还原氧化铜实验的新做法具有以下优点：
（1） 大大简化了该实验的装置与操作，提高了实验成功率，缩短了反应时间，实验现象明显，非常适宜于课堂教学；
（2） 以取自废弃干电池的石墨棒为原料，不但变废为宝节约了药品，同时也能教育学生如何就地取材，充分利用好现有资源，养成勤俭节约的好习惯；
（3） 采用新颖的实验方式，提升了实验的趣味性，有利于激发学生的学习兴趣，提高课堂的教学效率。
2. 环保化策略
这种策略是从环境保护的角度，倡导绿色化实验，对一些实验过程中产生有害气体，且污染环境的实验装置的改进与创新。对这类实验装置的改进与创新，主要是应设计封闭的实验装置。封闭的实验装置应包括： 气体发生装置、气体收集装置、气体性质反应容器、尾气的收集和处理装置、导气装置等的封闭。
铜与硝酸反应实验装置改进
对于气体发生装置可从密闭和控制反应发生两方面入手，如图37中粗铜丝可以上下伸缩，能有效控制反应的发生；对于气体收集装置和反应容器，除有效密闭外，还应考虑间断收集和气体的有效储存（如使用三叉导管连接储气袋或储气瓶储气等）；对于尾气收集与处理装置，应考虑有效的化学吸收和处理（如用碱液吸收酸性气体，燃烧CO等），或有效的回收贮存等。例如，铜与稀HNO3反应环保装置如图38。
图37〓NO2、NO的制取与性质装置
图38〓铜与稀HNO3的反应
3. 集约化策略
这种策略就是把有联系的若干个实验通过某种形式联系、集合在一起。这种集约化不是简单地将若干实验连接，而是在原有基础上既简化便于操作，又便于观察，且实验效果好。这种集约化的结果，不仅可以帮助学生将有关的知识、技能联系在一起，有利于知识、技能的结构化，而且还有利于减少试剂的消耗和对环境的污染。
实验室制备Fe(OH)2的新装置雷和平.一套制备Fe(OH)2的新装置［J］.化学教学，2012（4）： 4850.
Fe(OH)2的制备是教师课堂教学的演示实验，教材演示实验中出现的违反常规的操作（即滴管插入液面下）肯定会引起学生的疑惑，这恰恰正是探究的绝佳素材。Fe(OH)2具有强还原性，极易被混入溶液中的O2氧化，很难观察到白色沉淀。Fe(OH)2的制备一般用FeCl2或FeSO4与NaOH溶液反应制取，为制得白色的Fe(OH)2沉淀，必须确保溶液中无Fe3+、O2，而完全做到无O2很难，因此能否完全排除O2的干扰是决定实验是否成功的关键。一般采用如下方法排除O2的干扰，如： 油封、利用氢气、使用固体等。
1. 仪器与试剂
分液漏斗、平底烧瓶、具支试管、大试管、小试管、双孔胶塞、Y型玻璃管、T型玻璃管、导气管、活塞、水槽、铁架台、4mol/L H2SO4、Zn粒、Fe粒、1mol/L H2SO4溶液、饱和NaOH溶液等。
2. 实验装置（图39）
图〓39
3. 操作步骤
（1） 按图39组装好仪器，检验装置的气密性后，在大试管B中加适量饱和NaOH溶液，在具支试管A中加入适量Fe粉和1mol/L H2SO4，迅速塞紧双孔胶塞，关闭活塞K1、K2，打开活塞K3、K4、K5。A中反应生成的H2可将装置内部O2排走一部分。
（2） 2min后，通过分液漏斗向盛有Zn粒的平底烧瓶中注入约30mL 4mol/L的H2SO4溶液，同时打开K1、K3、K5，关闭K2、K4。烧瓶中反应产生的H2在A底部冒出时，吹动底部的铁粉呈“沸腾”状，铁粉在H2流的搅动下与H2SO4充分反应，加快制备FeSO4的速率，缩短了反应时间，提高了实验效率。
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（3） Zn与H2SO4溶液反应产生的大量H2可以将整套装置中的O2排尽。活塞K2附近的一段导管中可能残留有很少一部分O2，会影响实验的效果，为确保实验制得白色的Fe(OH)2，可以采取如下措施： 关闭K1、K4，打开K2、K3、K5，进一步排装置中残留的O2。
（4） 继续（2）中的除O2操作一段时间，即打开K1、K3、K5，关闭K2、K4。
（5） 打开K2、K3、K5，关闭K1、K4，此时H2流不通过A中的溶液。当A溶液中不产生气泡且Fe粉全部沉降到试管底部时，表明完全生成了FeSO4，已无H2SO4剩余。检验水槽中收集的H2的纯度，当H2纯净时就可准备压液的实验操作了。
（6） 关闭K1、K3，打开K2、K4、K5，烧瓶中反应产生H2在A中聚焦，压强增大，将A中的FeSO4溶液压入至B中，在B中生成大量的Fe(OH)2白色沉淀。为了长时间封存Fe(OH)2白色沉淀，应及时关闭K1、K2、K5，此时烧瓶中依然产生着大量的H2，存在爆炸的危险，应及时打开分液漏斗的活塞，让H2从分液漏斗下端口逸出。由于A、B中封存有大量的H2，生成的白色Fe(OH)2可以保存很长一段时间。如果拔掉B上口的胶塞，振荡试管，O2进入，Fe(OH)2迅速变成灰绿色，随后试管壁上就能看到红褐色的Fe(OH)3了。
4. 实验说明
（1） 虽然H2能挤走溶液中溶有的O2，但利用H2能否完全排尽O2也未知，为保证实验的完美，所使用的溶液应全部煮沸除O2，冷却后再使用。
（2） 为了排尽装置中的O2，烧瓶中要持续不断地产生H2，因此Zn粒用量较大，硫酸浓度较大，需要采用4mol/L的H2SO4溶液。
（3） 笔者多次实验发现，Zn粒与H2SO4反应制H2的装置不能用启普发生器代替。如采用启普发生器，在进行压液操作时，具支试管A和启普发生器内部的气体压强都会增大，启普发生器中的H2SO4溶液被压入到漏斗中，使H2SO4与Zn粒脱离，产生H2的反应停止，导致无法完成后续的压液操作。
（4） 压液操作中，可能将A中未反应完的稀H2SO4压入B中，影响Fe(OH)2沉淀的生成，因此B中最好采用浓NaOH溶液。
（5） 为了防止在压液操作时将A中的Fe粉也压入到B中，A中的长导管不能完全插入到试管底部，即下端不能接触到Fe粉。
5. 改进优点
（1） 水槽中收集H2的装置既隔绝了外界的O2，又检验了H2的纯度，验证了排O2的效果。整套装置密闭性好，克服了实验中最大的困难，实验效果好。
（2） 实验仪器、试剂廉价易得，实验装置较易组装，并不复杂，易在普通中学推广。
（3） 实验细节设计好，A中的长导管既起到了导液的作用，还能导气，H2流搅动试管底部的Fe粉与稀H2SO4充分反应，又起到了玻璃棒搅拌的作用。实验设计渗透着化工生产工艺流程的知识，渗透着化工流程美学教育，有利于引导学生克服各种困难进行科学探究。
4. 变换输出策略
这种策略是通过变换信息输出形式，使得实验现象更加鲜明、直观，观测更加方便。
MnO2催化过氧化氢分解实验装置的新设计谭文生.MnO2催化过氧化氢分解实验装置的新设计［J］.化学教学，2013（1）： 4849.
现行人教版普通高中课程标准实验教科书（选修4）第22页［实验24］探究催化剂对反应速率的影响，其装置如图310所示。锥形瓶内盛有10mL左右质量分数为5%的H2O2溶液，双孔胶塞插有短导管和漏斗，短导管里插有带余烬的木条。开始时余烬没有明显变化，经漏斗向锥形瓶内加入少量MnO2后，锥形瓶中迅速产生大量气泡，余烬复燃。按此方法实验时，
图310〓探究催化剂对反应速率影响
发现有以下不足： （1） 装置复杂，实验准备费时烦琐；（2） 要使反应产生的氧气充满锥形瓶，需要加大药品的用量；（3） 因产生的氧气容易从漏斗口逸出，带余烬的木条在复燃前易熄灭，实验的成功率不高。
据上述原因，利用球形干燥管的特点对实验进行了新的设计，经多次使用，均取得了满意的实验效果，现介绍下。
1. 实验用品
球形干燥管（18mm×150mm）2支、与之相配套的橡胶塞2个、药匙1把、MnO2固体、质量分数为5%的H2O2溶液、棒香、火柴。
2. 实验装置
改进后的实验装置如图311所示。
图311〓新设计的实验装置
3. 实验步骤和现象
（1） 如图311（1）所示，把两支球形干燥管水平放置，用滴管吸取质量分数为5%的H2O2（约3mL）加入干燥管的球泡内，再用药匙取少量（约0.2g）MnO2粉末加在其中一只干燥管的进气管的管壁上。
（2） 选两个与球形干燥管相配套的橡胶塞，把棒香竖直固定在橡胶塞小头表面的中心位置上，并注意调整好棒香的长度（当把橡胶塞塞紧干燥管的进气管口时，棒香可抵达干燥管的球部中心为宜）。分别点燃橡胶塞上的棒香后，用橡胶塞塞紧两支干燥管（干燥管位置保持水平）。此时两支干燥管中，棒香的余烬没有明显变化。
（3） 当把两支干燥管同时竖立时，如图311（2）所示，立即看到加有MnO2粉末的干燥管内的液体和MnO2混合后有大量气泡产生，带余烬的棒香立即复燃产生明火，且此明火可燃烧至棒香接近液面时才熄灭，而没有加催化剂MnO2粉末的干燥管内，棒香的余烬看不到明显变化。
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4. 新装置的优点
（1） 仪器简单，组装容易。新设计的装置只需干燥管加胶塞，制作容易，操作简单，省时省力。
（2） 现象明显，药品用量少。干燥管容积小，从干燥管平行放置加入药品到使之竖立让H2O2溶液和MnO2混合，能很快充满氧气，使余烬棒香立即复燃。
（3） 气流集中。干燥管内产生的氧气由下向上通过导气管逸出，余烬棒香正好置于高浓度的氧气流中，实验可靠性好。
（4） 实验现象对比明显，趣味性浓。当反应产生的氧气使竖立在干燥管内的余烬棒香复燃产生明火时，整个装置看起来好似点燃的灯塔，十分有趣。
（5） 因改进后实验装置简单，使用方便，故既可用于教师课堂演示，也可用于学生分组探究实验。
5. 非常规仪器的使用策略
非常规仪器指非常规通用仪器（如横口管、叉形管、H形管等）和非化学仪器（如医用注射器、医用小药瓶、塑料瓶、气球等）。研制和使用非常规仪器于实验的改进与创新上，通常可以使装置简约化与微型化，可以因地制宜，就地取材，可以弥补常规仪器化实验装置中的某些功能不足，优化实验装置，提高实验效果。
多功能化学实验瓶吕善荣.多功能化学实验瓶［J］.化学教学，2013（2）： 41.
氯气、硫化氢、二氧化硫等气体的性质实验是中学化学实验教学的重点之一，这些气体毒性强，现行各版本化学教材中，它们的性质实验都在集气瓶中做，难免造成气体的泄漏，危害师生健康。为防止化学实验过程中有毒有害气体对师生的危害，也为强化环保意识的教育，特设计了一套多功能化学实验瓶，它不仅适合于教师演示，也适合于学生实验，整个装置简单，易于操作，无污染，实验效果良好。
图312〓化学实验瓶图解
1. 化学实验瓶及组装说明
多功能化学实验瓶左侧带胶头滴管的小瓶是气体的发生部分，右侧大瓶是气体收集及性质实验部分，其瓶口采用双层凹槽设计，构造类似泡菜坛子的口（图312a），结合瓶套（图312b）使用，瓶套上塞上带胶头长滴管的橡皮塞（图312c），组装成装置如图312d。
2. 多功能化学实验瓶应用实例
（1） 铜与氯气反应
① 在左侧小瓶中加小半药匙高锰酸钾晶体，胶头滴管中吸入少量浓盐酸；
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② 往多功能化学实验瓶大瓶口的凹槽中注入适量饱和碳酸钠溶液；
③ 预先在胶头滴管中吸入一滴管水，在长滴管下端绕上一段螺旋状铜丝绕在长滴管下端，将浓盐酸滴入左侧小瓶中，同时，将铜丝加热至红热，迅速插入大瓶中；
④ 反应完毕，稍冷却后，将在胶头滴管中的水挤入大瓶中，再用注射器注入10mL氢氧化钠稀溶液。
实验过程中铜丝在氯气中剧烈反应，产生棕黄色的烟，放出大量热；反应完毕，将胶头滴管中的水挤入瓶中，溶液呈蓝色，注入氢氧化钠溶液后产生蓝色沉淀，同时吸收多余氯气。
（2） 硫在氧气中燃烧
① 用小号不锈钢药匙弯制一只燃烧匙，用橡皮筋固定在胶头滴管下端；
② 在左侧小瓶中加入少量二氧化锰粉末，胶头滴管中吸入5%双氧水；
③ 往多功能化学实验瓶大瓶口的凹槽中注入适量饱和碳酸钠溶液；
④ 将双氧水滴加到左侧小瓶中，经检验集满氧气后，取少量硫粉于燃烧匙中，在酒精灯火焰上点燃，迅速插入大瓶中；
⑤ 反应完毕，稍冷却后，用注射器注入氢氧化钠溶液吸收二氧化硫气体。
实验过程中硫粉在氧气中剧烈反应，形成明亮的亮紫色火焰。
（3） 氨气与氯化氢气体反应
① 左侧小瓶中胶头滴管吸收少量浓氨水，右侧大瓶中胶头滴管吸收少量浓盐酸；
② 往多功能化学实验瓶大瓶口的凹槽中注入适量饱和碳酸钠溶液；
③ 将两胶头滴管中的溶液各挤出1~2滴。
实验过程中，在大瓶中出现大量白烟。
3. 本装置的创新点
（1） 本装置集气体的发生、收集、反应于一体，装置简约，操作简单，现象明显；
（2） 大瓶口采用双层凹槽设计，利用液封将反应过程中的有害物质密闭于瓶内，实验完毕吸收残留有害物质，试剂消耗少，实验过程中能有效防止污染；
（3） 用途广，本装置可用于氯气、二氧化硫、硫化氢等多种气体的制备及性质实验，真正做到一瓶多用。
（五） 实验操作过程优化策略
实验操作过程优化策略就是在改进与创新实验时，对传统实验操作过程的简化与优化。实验操作过程的合理化、科学化是实验顺利完成的保证。传统的化学实验一般都有较为合理的操作过程，都是一定历史时期教学经验和科学研究的产物。但随着社会对实验教学要求的提高和人们对实验认识的发展，有必要对某些实验操作过程进行优化，进一步改进与创新。优化实验操作过程一般可以从简化实验操作、强化实验现象和提高实验效果入手。
对于实验现象变化不太明显的实验，可以采用对照实验或设法将现象放大的实验操作，来强化实验现象。例如，采用投影仪放大实验现象，用盛水烧杯起凸透镜作用，把试管实验现象放大；对于观察有颜色而现象又不太明显的实验，可以通过采用白色或黑色衬板的操作，来强化实验现象等。
乙醇催化氧化实验的改进樊会武，等.乙醇催化氧化实验的改进［J］.化学教学，2012（8）： 4950.
人教版普通高中课程标准实验教科书化学必修2第三章第3节实验33： 在一支试管中加入3~5mL乙醇，取一根10~15cm长的铜丝，下端绕成螺旋状，在酒精灯上灼烧至红热，插入乙醇中，反复几次。注意观察反应现象，小心闻试管中液体产生的气味。该实验的目的，主要是说明产物中有刺激性气味的乙醛，从而说明乙醇被氧化。在实际教学中发现，此实验存在如下问题：
（1） 教材中的实验是在一个开放体系完成，不符合绿色化学实验理念，且不适合做学生分组实验；
（2） 目标产物乙醛的检验方法缺乏信度；
（3） 未对产物水作检测。
很多老师针对这些问题设计新的改进方法，取得了很好的效果。但我们在重复实验的过程中发现不少实验耗时较长，不适合于课堂演示。
带着这些思考，我们利用弯头试管装入乙醇代替吸有乙醇的粉笔或棉花，对教材实验进行了多次探究。探究发现，决定此实验成功的关键是产物的量和产物能否顺利进入检测体系，我们设计利用洗耳球鼓入空气的方法来解决这一关键问题，鼓入空气既可以增加产物的量，又可以将产物顺利带入检测体系，取得良好的实验效果，同时改进后不需粉笔或棉花。
1. 实验用品
无水乙醇、铜丝（绕成螺旋状）、蓝色硅胶、希夫试剂、40%乙醛、乙酸、蒸馏水、弯头试管、酒精灯、小试管、铁架台、橡胶塞、玻璃导管、乳胶管、注射器、打火机、量筒、镊子、试管架、洗耳球。
2. 实验准备
图〓313
（1） 针头套管的准备： 用打孔器在橡胶塞上打孔，一个钻通，连上玻璃导管方便导出产物；一个不钻通，套上玻璃导管，另一侧安上注射器针头，方便鼓入空气。
（2） 希夫试剂的准备： 希夫试剂（Schiff）又称品红亚硫酸试剂。将二氧化硫通入碱性品红水溶液中直至褪色，备用。
3. 实验装置图（图313）
4. 操作步骤
（1） 按装置图组装好仪器，检查装置气密性。
（2） 向弯头试管中加入2~5mL无水乙醇，放入螺旋状的铜丝，在靠近管口的地方放入一颗紫色硅胶，塞上带导管的胶塞，导管末端插入盛有1mL希夫试剂的小试管中。
（3） 用酒精灯加热铜丝，铜丝逐渐变黑，3min后，由于弯头试管导热，乙醇挥发加剧，乙醇蒸气与热的铜丝接触，左侧铜丝由黑变红，向右移动酒精灯继续加热铜丝，整段铜丝全部变红。
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（4） 用洗耳球通过针头缓慢鼓入空气，红、热铜丝遇空气后又会变黑，产生黑、红交替变化现象，同时不断有气泡从小试管中冒出，鼓入的空气将产物乙醛带入检测体系，希夫试剂逐渐变为紫红色。同时试管口有水雾生成，变色硅胶颜色变浅，最后变为粉红色，说明有水生成。实验结束，熄灭酒精灯。
（5） 另取三支试管，向其中各加入1mL希夫试剂，再分别滴加2滴乙醇溶液、乙醛溶液、乙酸溶液，振荡、观察、比较。步骤（4）中希夫试剂显色说明实验过程中有乙醛生成。
5. 实验结论
（1） 乙醇、乙酸难使希夫试剂显色，乙醛可使希夫试剂显色；
（2） 由希夫试剂显色及蓝色硅胶变粉红色等现象，可以说明： 在铜的催化作用下，乙醇被空气中的氧气氧化，生成物为乙醛和水。
6. 改进实验方案的优点
（1） 装置简单，材料易得，操作简便，现象明显，成功率高。
（2） 更改了产物的检验方法，使产物检测更加直观，帮助学生理解有机化学反应的断键规律。还可以更换其他检测试剂达到相同的实验效果。
（3） 将教材中的开放体系改为一个相对封闭的体系，可重复实验，实现了实验的绿色化，不仅适合于课堂演示，而且也适合学生分组实验。
（4） 利用此套装置还可完成铁与水蒸气的反应、石蜡油分解实验等高中课本实验。
（六） 创造性思维的策略
化学实验的改进与创新都离不了创造性思维的活动。创造性思维活动是发散思维和集中思维、形象思维和抽象思维、直觉思维和逻辑思维、显意识和潜意识思维等多种思维协调活动的综合体。在化学实验的改进与创新中，下列策略和方法对创造性思维活动的开展，对实验的改进与创新具有积极的作用。
化学实验装置的变通与创新
为了达到某种特殊的实验目的，有时需要利用一些常用的仪器，通过进行必要的改进和装配，以完成合乎实验要求的创意与设计。这需要我们认真分析领悟实验意图，灵活掌握有关仪器的组成、结构、性能特点等，然后匠心独运，巧妙创意。
1. 启普发生器原理及反应器的设计（如图314）
图〓314
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2. 液封装置的设计（防止气体从漏斗中逸出）（如图315 D、E）
图〓315
3. 与气体相关的防填塞装置（如图315 F、G）
4. 尾气吸收装置
（1） 吸收溶解度较小的尾气（如Cl2、H2S等）（如图316）
图〓316
（2） 吸收溶解度较大的尾气（如HCl、NH3等防倒吸）（如图317 BG）
图〓317
（3） 点燃除去或收集于气球中（如CO等防污染）（如图318 H、I）
图〓318
5. 气体的量取装置（如图319 AD）
图〓319
三、 中学化学实验改进的不良倾向
化学实验在中学化学教学中应当成为学生探索、发现、验证知识的重要手段。运用实验可以为学生提供模拟实际的情境，使学生自身的智力、能力、意志和品质等获得尽可能多的发展。现行中学化学教材中的实验未必是最佳的实验，不同的学校可以因地制宜地采用不同的实验装置来完成这一实验，这就给实验的研究和改进提供了很大的空间，使得实验改进成为实验研究的重要内容。但目前化学实验改进中呈现出以下几种不良倾向，应该引起注意。钱胜，冯红霞.浅议当前“化学实验改进”的不良倾向［J］.化学教育，2012（1）： 6061.
（一） 简单实验复杂化
教材中的实验总是通过简洁的实验操作、明显的实验现象来鉴别化学物质、验证化学结论或揭示化学原理，并在实验的过程中提高学生的操作能力及培养学生的实践精神，最终体现出化学实验的美感，展示学科的魅力。但基于中学生的认知水平尚比较低下、一些学校实验设施还比较落后，以及教材知识本身对学生的要求不高等因素，中学化学实验大多重定性而轻定量，大多是验证性实验而非鉴定性实验。在教材中所呈现的化学实验大多所用实验仪器较少、装置简单、操作简便，并能很好地达到实验预期的目的。
但我们经常会看到有一些实验的改进，把影响实验效果的细微因素研究得过深、过细或把细微因素对实验结果的影响不切实际地放大，以至于把原来很简单易行的实验改得十分复杂。
图320〓改进后的实验装置
比如，九年级教材中“测定空气中氧气含量”的实验，是一个比较粗略的半定量实验，只要能让学生观察到倒流回集气瓶中的水约为集气瓶容积的1/5即可，教师只要能按教材的要求进行实验，实验的成功几率几乎是100%。但有的教师认为： 倒流回来的一部分水会保留在连接集气瓶和烧杯的导气管中；把燃着的红磷伸入集气瓶时因为红磷燃烧放热会赶走一部分空气；燃烧匙伸入过慢又会有新的空气进入集气瓶……都会影响实验效果，从而把原来的实验进行了改进（其中一种实验改进如图320所示）。但由于改进后的操作十分麻烦或实验装置太过复杂，使得这样的改进实验很难在实际的教学中得以推广。
（二） “污染”实验“绿色化”
毋庸置疑，在当前全球环境污染严重、单位产品能耗太高、原材料利用率较低的大背景下，化学反应（工艺）的绿色化是当今化学工业发展的重要方向和必由之路。
在中学教材中总会讲到氯气、二氧化硫、氯化氢、氨气等气体，这些气体都具有刺激性气味，但却没有人能讲出这几种气味的真正差别。同样，人们也很难讲出各种颜色到底有什么区别。比如就红色而言我们就可以举出： 大红、桃红、胭脂红、砖红、暗红、紫红、绯红、洋红、粉红、血红、浅红、猩红、棕红、橙红等十几种红色，它们之间存在十分细微的区别，这种差别难以言表，只能让学生用自己的眼睛去亲身体验。事实上，当人们在描述物质的气味、颜色等性状时，语言会显得苍白而乏力，只有学生通过自己的切身体验才能真正领会。这就是新课程标准中“过程与方法”的要求，也是化学实验的意义所在。
实验的绿色化固然重要，但一提到有污染的实验，许多老师都谈之而色变，采取敬而远之的态度，从而过分强调“绿色环保”，我们认为是不恰当的。在做有毒物质的实验时，可让学生吸入少量（不至于对学生的身体造成伤害）的有毒气体，嗅一嗅各种毒物的气味，让学生都能区别这些物质，这是教学过程中不可回避的内容。当学生在今后遇到毒物侵害时，才能及时地判断毒物的成分，有效地防止和减轻毒物造成的伤害。试想若学生只能背出气体的气味，而缺乏应有的体验，这样的教学是不成功的。其实人体摄入少量有毒物未必会对身体有害或造成的伤害极小，有的反而会有益。而教材中的所有实验只要操作得当，控制合理也都是十分安全的。
（三） 数个实验集成化
“集成”似乎是一件好事情。电子工业正是经历了从电子管、晶体管再到集成电路的变革才得以蓬勃发展，但把这种思路移植到化学实验中却未必能取得良好的效果。
化学物质之间总是有着千丝万缕的联系，在一些章节会出现相关物质的一系列实验。有的老师总喜欢把这些实验集成在一起，总想用一个大型的集成实验完成本章节所有的实验。在这里，首先我们要肯定老师们这种勇于创新的精神，但在创新的同时还应当思考以下几个问题。
首先，集成的可行性如何。在整合原有的实验时应当找出实验之间的联系，如果把相关性不强的实验硬生生地整合在一起，那么整合后的实验也并不是一个有机的整体，只是原来独立实验的机械组合，达不到真正集成的效果。其次，是否有集成的必要。
图321〓高度集成的氨气实验装置
原来多个独立的实验被集成在同一个实验中，实验装置会不会过于复杂、实验原理是否晦涩难懂，会不会导致学生把注意力和思维的重心放在对实验装置的构造及实验原理的分析上，反而忽略了对实验现象的观察，如果真是这样，集成的必要性还真值得商榷。
曾经有一位老师集成的氨气的相关实验。可以说这是一个高度集成化的实验，在整套实验中涉及氨气的制取、氨气溶解性验证（喷泉实验）、氨水性质探究（包括使酚酞显色，与硫酸铜溶液反应）、氨气的尾气处理等实验。实验现象精彩纷呈，不亚于一场魔术表演。但在整套装置中用到了数个铁架、4个止水开关、3个烧瓶、1个铁架台、若干的橡皮导管和玻璃导管……（如图321所示，因实验原理复杂，不再分析）学生要理清整套实验装置的集成原理都是一件费力的事，思维也被眼花缭乱的实验现象所分散，这种集成化真比传统实验更好吗？
（四） 演示实验微型化
化学实验微型化是当前化学实验改进的一个方向。微型化学实验能较好地按新课程标准基本操作完成学生实验，便于开展化学第二课堂教学活动和家庭小实验，有利于培养学生良好的科学态度，开发学生智力，同时又节能、环保，所以，当前在很多实验领域，微型化实验大有取代传统实验之势。
的确也不否认实验微型化的意义，比如学生的分组实验可以使用微型化实验，这时微型实验的优势能够得以充分的体现。但如果教师的演示实验也微型化了，也许只有教师和离讲台很近的学生才能观察到实验现象，而教学应面对全体学生，这种微型改进所取得的效果差强人意，这种改进显然失去了演示实验应有的功能，我们认为确有不妥之处。
相反，我们觉得为了使学生能更清楚地观察到实验现象，应适当“放大”实验。在教学过程中通常可以采用以下两种策略。首先，我们可以有意识地把实验仪器放大，如九年级教师中用酚酞证明氢氧化钠和盐酸能发生反应时，选用的不是容积较小的试管，而是容积较大的烧杯，使实验的现象更便于学生观察。此外，我们还可以采用实物投影或用摄像头近距离录像来“直播”实验全过程以实现放大实验。