水乳交融與油水分離

李佩寧

石油是人類現(xiàn)代生活的血液，大量的石油存在于海平面之下的地殼中。人類對石油的采集往往會帶來副作用，尤其是在人類疏忽大意的時候。例如海上石油泄漏，就是一種對海洋環(huán)境產(chǎn)生毀滅性破壞的事故。

一、課程重點(diǎn)

本課程以一個生活中出現(xiàn)的簡單物理模型（油漂浮于水上）為藍(lán)本，深入淺出地從微觀（分子層面）以及宏觀（生態(tài)層面）層面來闡述這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因、影響以及人類可以選擇的干涉對策，由此培養(yǎng)學(xué)生對日常生活的關(guān)注，觀察科學(xué)知識和實(shí)際生活的聯(lián)系。同時，營造學(xué)生可以在動手中深入感受和理解的課堂氛圍。

【涉及領(lǐng)域】工程、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)

【建議年級】小學(xué)中年級

【建議時間】125分鐘

二、課程任務(wù)

通過對不同物質(zhì)彼此相溶和不相溶現(xiàn)象的探討以及對實(shí)際情景的描繪，引發(fā)學(xué)生了解現(xiàn)象，學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，并引導(dǎo)和啟迪學(xué)生綜合看待問題和解決問題的思路。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

【第一步】簡述物理和化學(xué)的區(qū)別，詢問學(xué)生對溶解現(xiàn)象的認(rèn)識。物理是研究物質(zhì)運(yùn)動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科；化學(xué)則是在原子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律的自然科學(xué)。至于溶解，廣義上指超過兩種以上物質(zhì)混合而成為一個分子狀態(tài)的均勻相的過程；狹義上指一種液體對于固體、液體或氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使其成為分子狀態(tài)的均勻相的過程。

【第二步】向?qū)W生進(jìn)一步進(jìn)行知識預(yù)熱，告知溶解是一種物理現(xiàn)象，但是現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀原因卻和化學(xué)相關(guān)，引起學(xué)生對交叉學(xué)科的興趣。讓學(xué)生舉例可以溶解于水的物質(zhì)，以及可以溶解于學(xué)生所知道的各種常態(tài)液體的物質(zhì)。

【第三步】向?qū)W生講解理解這部分知識的重要性，并引入情景：當(dāng)出現(xiàn)石油泄漏事故，會對環(huán)境造成很嚴(yán)重的破壞。詢問學(xué)生原因，然后揭曉答案：石油是一種粘稠的、深褐色液體，主要成分是各種碳?xì)浠衔?，它不能溶解于水中，而是會長時間地凝聚在一起，由于油比水輕，所以會漂浮在水面上，擋住下層水下植物所必需的陽光，堵塞出水呼吸的魚類的呼吸道以及黏住前來捕魚的水鳥的羽毛使其無法再次飛行，從而造成大量海洋生物的死亡，破壞生態(tài)環(huán)境。

2.宣布任務(wù)一，小組準(zhǔn)備（10分鐘）

【宣布任務(wù)】每組派出學(xué)生和教師一起演示油與水的分層現(xiàn)象在分子層面的表現(xiàn)以及不同溫度下油和水的運(yùn)動會變得不同的原因。各小組聽清預(yù)備知識，以給定的材料，在教師的指導(dǎo)和提示下進(jìn)行模擬演示，并通過討論和推理，將結(jié)論告訴大家。預(yù)備知識如下。

（1）油分子比水分子大，但是比水分子輕。

（2）這兩種分子都會無規(guī)律地運(yùn)動碰撞。

（3）水分子像微弱的磁鐵一樣，會偶爾互相吸引，而油分子之間、油分子和水分子之間不會。

（4）水吸熱較快，油吸熱較慢。吸收熱量后，水分子運(yùn)動會更劇烈，而油分子的運(yùn)動不如水分子劇烈。

（5）小組成員都用手抓著各自的水分子嘗試演示，而演示中油分子的數(shù)量要較少（1—2個）。

【材料】棉花球、報(bào)紙、玻璃球

3.任務(wù)的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。引導(dǎo)學(xué)生聽清任務(wù)步驟并考慮相關(guān)問題。

（1）教師宣布自己拿著兩個油分子（以巨大的棉花球表示），而學(xué)生要手持水分子（以玻璃球表示）。

（2）教師提問：你認(rèn)為油分子是一個完全圓鼓鼓的球嗎？油分子是什么樣子的？

（3）教師要求學(xué)生用玻璃球表現(xiàn)水分子彼此吸引，穩(wěn)定在一定位置上進(jìn)行小幅度的不規(guī)則運(yùn)動，然后拿起棉花球提問：既然水分子會相互吸引，是水分子的相對位置更穩(wěn)定還是油分子的更穩(wěn)定？

（4）要求學(xué)生用玻璃球與教師一起演示：當(dāng)油分子試圖融入水分子中時，水分子會集體抗拒，形成比較固定的網(wǎng)絡(luò)，并利用這個網(wǎng)絡(luò)把油分子托起，擠壓到上面去，不讓它靠近自己的群體。思考：哪些學(xué)生和老師的表演是有問題或存在疑問的？為什么？

（5）當(dāng)在教師的指導(dǎo)下完成上面這個過程后，模擬分層穩(wěn)定的同時，對油與水的分層混合進(jìn)行總體加熱，其中油加熱的慢，水加熱的快，越熱的分子運(yùn)動越劇烈，要求學(xué)生用玻璃球配合手拿棉花球的教師一起演示幾個溫度點(diǎn)（40攝氏度、60攝氏度、80攝氏度、100攝氏度）的水與油的分子運(yùn)動。思考：這個部分，哪些學(xué)生和老師的表演是有問題或存在疑問的？為什么？

（6）通過剛才的演示，思考假如在下面的水已經(jīng)沸騰的狀態(tài)下，油分子是否還能被繼續(xù)加熱，此時水分子是否能夠透過油層。據(jù)此思考剛才同學(xué)們的演示是否正確。

（7）思考假如在實(shí)際情況中，有千千萬萬的水分子和成比例的油分子，它們會如何運(yùn)動。預(yù)想并試著描述最后產(chǎn)生的結(jié)果在肉眼觀察下的情形。

4.任務(wù)一的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，教師組織討論以下問題：

（1）你們組是怎么討論得出結(jié)果的？是通過實(shí)際操作，還是通過設(shè)想和推理排除？

（2）在你們的結(jié)論中，油與油、水與水，誰的“同物質(zhì)親和力”最強(qiáng)？假如我們在一個平面上滴一滴油和一滴水，哪個有可能會顯得更圓？哪個有可能會顯得更扁？

（3）小組在討論中出現(xiàn)了幾種不同的意見，最后你們是如何統(tǒng)一的？

（4）對于沒有采納的意見和看法，你們?yōu)槭裁礇]有采納？

之后，讓學(xué)生自己動手（在材料器具有限的情況下，可以考慮該步驟由兩個小組合并共同完成）制造肥皂水，并要求學(xué)生觀察記錄對比肥皂水和油滴在水面上后發(fā)生的情形。試著觀察水和油彼此之間的狀態(tài)是否符合之前的預(yù)期，是否有分層現(xiàn)象。要求學(xué)生思考如下問題：

（1）有什么因素會影響水對雙方的溶解？

（2）需要控制哪些條件來保證觀察的準(zhǔn)確以及結(jié)論的準(zhǔn)確？即如何保證觀察到的現(xiàn)象僅僅是因?yàn)樗芙獾奈镔|(zhì)不同而產(chǎn)生的差異。

（3）你們的預(yù)測是什么？

（4）有哪些數(shù)據(jù)是你們認(rèn)為需要記錄的？

在討論之后，讓學(xué)生著手進(jìn)行觀察。觀察后，進(jìn)一步討論如果將肥皂水和油混合，是否會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，最終雙方是否會相互溶解。

5.宣布任務(wù)二和評價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】讓學(xué)生用給出的材料，并通過實(shí)驗(yàn)回答最初提出的“如何清理油污”的問題，通過實(shí)驗(yàn)找出他們認(rèn)為最佳的材料和方式，并說明過程以及得出相應(yīng)結(jié)論的原因。宣布任務(wù)后提供材料，并展示評價(jià)量規(guī)（見表1），小組準(zhǔn)備。

【材料】咖啡濾紙、棉花球、鋼絲球、肥皂、報(bào)紙、紙巾、植物油、水、紙杯、小水盆、紗線、坐標(biāo)紙

宣布任務(wù)和評價(jià)量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢問學(xué)生以下問題：

（1）這次課程使用的材料較多，每種材料應(yīng)當(dāng)如何運(yùn)用？是否所有的材料都有用？

（2）通過日常生活的接觸，你們預(yù)測哪種材料吸收油脂的效果最好？為什么？

（3）如何通過圖表展示你們的預(yù)測和實(shí)際實(shí)驗(yàn)記錄？在實(shí)驗(yàn)前是否能夠設(shè)計(jì)基本格式？

詢問后，給少量時間讓小組各自進(jìn)行溝通準(zhǔn)備。每個人都要寫下自己的想法，包括自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后小組具體討論使用哪種設(shè)計(jì)，以及畫出基本的圖和表格框架。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。要求學(xué)生依照評價(jià)量規(guī)，應(yīng)當(dāng)考慮以下內(nèi)容：

（1）以哪種方法處理石油泄漏的問題，這些材料能夠起到什么功效？

（2）我們需要的是吸油性最強(qiáng)的材料還是吸油性較強(qiáng)而吸水性差的材料？哪種比較合適？

（3）通過你們設(shè)計(jì)的處理方法，泄漏的油有沒有可能被再利用？

（4）你們小組以什么作為處理油污性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)？如何取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

（5）你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)執(zhí)行的時候應(yīng)該注意什么？

（6）考慮石油泄漏時大范圍的面積，你覺得你的計(jì)劃是否真實(shí)可行？為什么？

（7）小組是怎樣分工的？

7.任務(wù)二的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，教師組織討論以下問題：

（1）在剛才的實(shí)驗(yàn)中哪個道具是可以使泄漏的油回收再利用的關(guān)鍵？為什么？（鋼絲球，因?yàn)殇摻z球表面積大、造價(jià)低、吸油性強(qiáng)且吸水性差、磨損小。）

（2）發(fā)揮想象，你覺得還有什么辦法可以幫助控制已經(jīng)發(fā)生的石油泄漏？有什么辦法可以繼續(xù)循環(huán)利用這些石油？（可布置作業(yè)讓學(xué)生進(jìn)一步調(diào)查支持自己觀點(diǎn)的證據(jù)）

（3）如果發(fā)生大面積的石油泄漏，通過今天的實(shí)驗(yàn)，你要利用哪些材料來控制石油泄漏并回收利用泄漏的油？如何進(jìn)行具體操作？這些操作會遇到什么困難？會導(dǎo)致哪些意外？

（4）石油是一種粘稠的混合物，和我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫氖秤糜秃推筒煌氖?，其中最粘稠的部分會慢慢沉降到水面下。你覺得這種作用和哪些因素有關(guān)？例如溫度、洋流、生物活動、海洋鹽分濃度等。（這部分是開放性問題，只要學(xué)生能進(jìn)行有邏輯和根據(jù)的猜想即可。）

【拓展思考】能直接點(diǎn)火燒嗎？為什么？

（責(zé)任編輯 張慧籽）