“探究微粒運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

孟彥　李德前

摘要：依據(jù)氣體擴(kuò)散原理，對(duì)“探究微粒運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)分別借助人的嗅覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感官來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不僅實(shí)驗(yàn)手段新穎，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠，既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，又豐富了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：氣體擴(kuò)散;?微粒運(yùn)動(dòng);?實(shí)驗(yàn)改進(jìn);?實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2020）07-0073-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

實(shí)行義務(wù)教育以來(lái)，初中化學(xué)教科書(shū)中就編排了借助濃氨水和酚酞溶液探究微?；拘再|(zhì)的“分子運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)[1]（裝置見(jiàn)圖1-A）;隨著化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布與修改，多個(gè)版本的初中化學(xué)教科書(shū)中依然保留了該實(shí)驗(yàn)[2～6]，只是實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)生了變化（見(jiàn)圖1-B），實(shí)驗(yàn)名稱也略有不同，如“探究微粒運(yùn)動(dòng)”“氨分子的運(yùn)動(dòng)”“分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象”等。

教科書(shū)上編排的這個(gè)實(shí)驗(yàn)其現(xiàn)象還是很明顯的，但由于實(shí)驗(yàn)裝置處于半封閉狀態(tài)，因而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逸出的氨氣在一定程度上對(duì)環(huán)境不夠友好。我們依據(jù)氣體分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的特性（運(yùn)動(dòng)激烈、擴(kuò)散明顯）對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，并分別借助人的嗅覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感官來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、探究微粒運(yùn)動(dòng)。

1??借助嗅覺(jué)，探究微粒的運(yùn)動(dòng)

能聞到物質(zhì)本身攜帶的氣味是驗(yàn)證微粒運(yùn)動(dòng)最簡(jiǎn)便的方法，但如果總是讓學(xué)生聞“花露水”“酒精”“香水”這些司空見(jiàn)慣的物品的氣味，學(xué)生的興致并不大。我們自行配制“樟腦的酒精溶液”[7]（一種安全的外用藥液），用其體現(xiàn)分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，給學(xué)生留下了深刻的嗅覺(jué)記憶。

1.1??實(shí)驗(yàn)原理

天然樟腦是一種雙環(huán)萜酮，具有較強(qiáng)揮發(fā)性的白色晶體，有特殊香味，一般人聞到不會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng);酒精是一種易揮發(fā)的液體，少量的酒精通過(guò)呼吸道進(jìn)入體內(nèi)也是沒(méi)有危害的。將足量的樟腦溶于酒精所形成的溶液其揮發(fā)性更強(qiáng)，氣味獨(dú)特濃厚，很易被覺(jué)察。

1.2??實(shí)驗(yàn)用品

燒杯、量筒、玻璃棒、細(xì)口瓶、透明噴霧瓶（也可用廢棄的香水瓶）;天然樟腦（網(wǎng)購(gòu)或從藥店購(gòu)買）、90%的酒精溶液等

1.3??實(shí)驗(yàn)步驟

（1）?將1～2小塊天然樟腦放入大燒杯中，然后緩緩加入90%的酒精溶液，邊加邊用玻璃棒不斷攪拌，直至樟腦完全溶解。

（2）?將配制好的樟腦的酒精溶液裝入透明噴霧瓶，備用。

（3）?課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，可在教室的前后、過(guò)道等位置噴出少許溶液，很快全班同學(xué)都能聞到明顯的特殊氣味，從而在嗅覺(jué)上證明“微粒不斷運(yùn)動(dòng)”的特性。

1.4??幾點(diǎn)說(shuō)明

（1）?該溶液的配制最好由學(xué)生自主完成，從而為后續(xù)的溶解操作打下基礎(chǔ)。配好的溶液要密封避光保存。

（2）?關(guān)于樟腦的酒精溶液的藥用價(jià)值（如活血化瘀、消腫止痛、殺菌防蟲(chóng)等），教師可以適時(shí)告訴學(xué)生，從而幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)試劑，體驗(yàn)學(xué)科價(jià)值。

（3）?在配制上述溶液時(shí)，如果增加某些溶解度受溫度影響較大的其他溶質(zhì)（如硝酸鉀、氯化銨），所得溶液不僅能用于分子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，還能用于制作“天氣預(yù)報(bào)瓶”[8]。

2??借助視覺(jué)，探究微粒的運(yùn)動(dòng)

視覺(jué)觀察是科學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的方法。現(xiàn)行初中化學(xué)教科書(shū)上設(shè)置的微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)觀察酚酞溶液的變色情況而獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論的。我們通過(guò)裝置優(yōu)化、異類組合等思路[9]，使改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的顏色多變，現(xiàn)象有趣，綠色環(huán)保。

2.1??實(shí)驗(yàn)原理

濃氨水易揮發(fā)，能使酚酞溶液變紅色;濃鹽酸易揮發(fā)，當(dāng)它與濃氨水接近時(shí)則生成氯化銨的固體小顆粒，從而產(chǎn)生白煙。

2.2??實(shí)驗(yàn)用品

500mL的寬口透明塑料瓶（含配套的雙孔膠塞），6mm×200mm，?6mm×205mm的細(xì)導(dǎo)管，綠色塑料皮的銅導(dǎo)線、脫脂棉、膠頭滴管、橡皮泥;濃氨水、濃鹽酸、酚酞溶液等

2.3??實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

2.4??實(shí)驗(yàn)步驟

（1）?找一個(gè)500mL的透明塑料瓶（可取自礦泉水瓶），再配一個(gè)大小合適的雙孔膠塞（孔徑約5mm）;截取管徑約6mm，長(zhǎng)度分別為205mm、?200mm的兩根細(xì)玻璃導(dǎo)管，備用。

（2）?找一段粗細(xì)合適的銅導(dǎo)線（外裹綠色塑料皮），將其纏繞成樹(shù)枝狀，并在每一根“樹(shù)枝”的頂端扎上一團(tuán)脫脂棉（貌似白色的花蕾），然后在“白色花蕾”上滴入幾滴酚酞溶液，這樣就做出了一棵含苞待放的綠色小樹(shù)（見(jiàn)圖2-A）。

（3）?按圖2-B所示，連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（4）?借助膠頭滴管，通過(guò)左邊的細(xì)導(dǎo)管向塑料瓶里滴入約1mL的濃氨水，立即觀察到綠色樹(shù)枝上的白色花蕾自下而上逐漸變紅，宛如綠色樹(shù)枝上盛開(kāi)出一朵朵“桃花”。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，氨分子因?yàn)椴粩噙\(yùn)動(dòng)而在塑料瓶里四處擴(kuò)散，使得滴有酚酞溶液的脫脂棉變紅色。

（5）?待棉球全部變紅后，再通過(guò)右邊的細(xì)導(dǎo)管向塑料瓶里滴入約1mL的濃鹽酸，很快塑料瓶?jī)?nèi)自下而上出現(xiàn)滾滾白煙，并向四周擴(kuò)散;緊接著，部分樹(shù)枝上的紅花慢慢褪色，其表面還附著一層淡淡的白色粉末，宛如飄蕩的白雪落在桃花上。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，氯化氫分子及氨分子因不斷運(yùn)動(dòng)而發(fā)生有效碰撞，生成極其細(xì)小的氯化銨顆粒。

（6）?實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理、清洗實(shí)驗(yàn)用品。

2.5??注意事項(xiàng)

（1）?根據(jù)NH3+HClNH4Cl可知，通常完全吸收4滴濃氨水約需5滴濃鹽酸[10]，因此若使紅花完全褪色，濃鹽酸的量要明顯超過(guò)濃氨水的量;若使部分紅花褪色，則濃鹽酸的量要明顯少于濃氨水的量。

（2）?左右兩邊細(xì)導(dǎo)管的末端不要處于同一水平線，以防先滴入的濃氨水從右邊細(xì)導(dǎo)管里逸出。

2.6??幾點(diǎn)說(shuō)明

（1）?實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩根細(xì)導(dǎo)管的管口可以不封閉，因?yàn)樵诖蠹s180m3的教室里做此實(shí)驗(yàn)時(shí)，逸出的氨氣、氯化氫氣體均不會(huì)超過(guò)0.2mg/m3的安全濃度極值[11];另外，這也有利于分子在塑料瓶里自由運(yùn)動(dòng)。

（2）?若要驗(yàn)證溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)快慢的影響，可以使用兩套相同的裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即一套用于室溫下的實(shí)驗(yàn)，另一套用于較高溫度下的實(shí)驗(yàn)（可將塑料瓶底部浸入熱水中）。

（3）?若將酚酞溶液改為石蕊溶液，那么先滴入濃鹽酸再滴入濃氨水，也會(huì)出現(xiàn)色彩多變的系列現(xiàn)象。

3??借助聽(tīng)覺(jué)，探究微粒的運(yùn)動(dòng)

可燃性氣體與助燃性氣體接觸后，因?yàn)椴粩鄶U(kuò)散而相互混合，當(dāng)混合氣遇到明火且又在爆炸極限范圍時(shí)就會(huì)發(fā)生爆炸。

3.1??實(shí)驗(yàn)原理

在一個(gè)充滿空氣的密閉容器里，如果酒精蒸氣的濃度達(dá)到其爆炸極限（3.3%～19.0%），遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。

3.2??實(shí)驗(yàn)用品

自制的爆炸器、鐵架臺(tái)、脫脂棉;酒精或氫氣等

3.3??實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

3.4??實(shí)驗(yàn)步驟

（1）?選用一次性注射器的塑料針筒、廢舊打火機(jī)上的壓電陶瓷以及強(qiáng)力膠水等物品，自制“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)裝置[12]。

（2）?把點(diǎn)火爆炸裝置固定在鐵架臺(tái)上，將浸有適量酒精的一團(tuán)脫脂棉放在爆炸室的最右端（遠(yuǎn)離點(diǎn)火裝置），立即用橡膠塞封閉爆炸室（見(jiàn)圖3）;稍后，按下壓電陶瓷的撞擊柱進(jìn)行點(diǎn)火，爆炸室內(nèi)沒(méi)有發(fā)生爆燃現(xiàn)象，說(shuō)明酒精蒸氣還沒(méi)有充分?jǐn)U散。

（3）?過(guò)1min左右，再次通過(guò)壓電陶瓷點(diǎn)火，立即聽(tīng)到“嘭”的一聲巨響，橡膠塞被炸飛。該現(xiàn)象說(shuō)明，爆炸室內(nèi)酒精蒸氣的濃度已明顯增加，并達(dá)到了爆炸極限，進(jìn)而證明“酒精分子因?yàn)椴粩噙\(yùn)動(dòng)而進(jìn)入空氣中”，同時(shí)“氮分子、氧分子等微粒因?yàn)椴粩噙\(yùn)動(dòng)而進(jìn)入酒精蒸氣中”。

（4）?借助圖4所示裝置進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)[13]，同樣可以得出微粒不斷運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。

（5）?實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理、清洗實(shí)驗(yàn)用品。

3.5??注意事項(xiàng)

（1）?課堂上進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)不能搞突然“襲擊”，要在點(diǎn)火之前創(chuàng)設(shè)寬松氛圍，并提醒學(xué)生做好“有驚無(wú)險(xiǎn)”的心理準(zhǔn)備。

（2）?做酒精爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)，若氣溫較高（如夏天），在放入酒精棉、封閉爆炸室后30s左右，即可點(diǎn)火;若氣溫較低（如秋冬季節(jié)），在放入酒精棉、封閉爆炸室后，可以通過(guò)搓熱的雙手給爆炸室加熱，從而加快酒精分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

4??借助觸覺(jué)，探究微粒的運(yùn)動(dòng)

指腹的觸覺(jué)最靈敏，當(dāng)用手觸摸物體時(shí)可以明顯感知其冷熱情況。因此，借助觸覺(jué)可以感知“伴隨有能量變化的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的情況”，進(jìn)而推知構(gòu)成物質(zhì)的微粒在不斷地運(yùn)動(dòng)。

4.1??實(shí)驗(yàn)原理

鐵粉同時(shí)接觸氧氣和水就會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕，并放出熱量;鹽的存在，可以加快鐵的銹蝕。

4.2??實(shí)驗(yàn)用品

125mL集氣瓶、配套的兩面磨砂的玻璃片;暖寶寶發(fā)熱劑（主要成分是活性炭、鐵粉、食鹽水）、氧氣、氮?dú)猓ɑ蚨趸細(xì)怏w）等

4.3??實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5。

4.4??實(shí)驗(yàn)步驟

（1）?取2個(gè)125mL的集氣瓶，用排水法分別收集一瓶氮?dú)狻⒁黄垦鯕?，備用?/p>

（2）?拆開(kāi)一袋暖寶寶，將適量的發(fā)熱劑快速倒入盛有氮?dú)獾募瘹馄恐?，蓋好玻璃片，然后轉(zhuǎn)動(dòng)集氣瓶，使發(fā)熱劑均勻附著在瓶的內(nèi)壁上。

（3）?按圖5-A所示，連好實(shí)驗(yàn)裝置，確保裝置不漏氣;然后用手觸摸上面集氣瓶的外壁，無(wú)明顯的冷熱感覺(jué)（與環(huán)境處于相同的溫度）。

（4）?輕輕抽掉兩個(gè)集氣瓶口之間的玻璃片，2～3min后，再次手摸上面集氣瓶的外壁（見(jiàn)圖5-B），感覺(jué)明顯發(fā)熱。以上事實(shí)說(shuō)明，上面集氣瓶里的氧氣濃度增大了，同時(shí)下面集氣瓶里氮?dú)鉂舛仍龃罅?，進(jìn)而證明“氧分子因不斷運(yùn)動(dòng)進(jìn)入氮?dú)庵校肿右驗(yàn)椴粩噙\(yùn)動(dòng)進(jìn)入氧氣中”。

（5）?實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理、清洗實(shí)驗(yàn)用品。

4.5??幾點(diǎn)說(shuō)明

（1）?氮?dú)庠诒緦?shí)驗(yàn)中屬于保護(hù)性氣體，若不易獲得，也可以用二氧化碳?xì)怏w代替。

（2）?本實(shí)驗(yàn)中的暖寶寶發(fā)熱劑，也可以用浸有食鹽水的超細(xì)鐵絲絨代替。

5??結(jié)束語(yǔ)

上述幾個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，涉及的實(shí)驗(yàn)儀器和用品均為常規(guī)常用，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)新穎別致，實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與眾不同，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程直觀有趣。特別是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象手段的多元化（借助嗅覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)），有助于在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上形成微粒的運(yùn)動(dòng)觀，進(jìn)而發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)。

總之，上述創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例，既能用于課堂演示，也能安排為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)或課外科技活動(dòng)，不失為良好的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)素材。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社化學(xué)室.?九年義務(wù)教育三年制初級(jí)中學(xué)教科書(shū)·化學(xué)（全一冊(cè)）[M].?北京：人民教育出版社，?1995：203.

[2]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.?義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].?上海：上海教育出版社，?2006：60.

[3]課程教材研究所，?化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.?義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].?北京：人民教育出版社，?2006：50～51.

[4]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.?義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].?上海：上海教育出版社，?2015：63.

[5]課程教材研究所，?化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.?義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].?北京：人民教育出版社，?2012：49.

[6]畢華林，?盧巍.?義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].?濟(jì)南：山東教育出版社，?2012：56.

[7]時(shí)炳炎.?樟腦酒精配制方法的改進(jìn)[J].?中國(guó)中藥雜志，?1992，?（10）：610.

[8]曹厚勇，?管美惠，?李亞烜等.?風(fēng)暴瓶預(yù)測(cè)天氣準(zhǔn)確性的研究[J].?安慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），?2017，?（2）：85～87.

[9]李德前.?例談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的思維方法[J].?化學(xué)教學(xué)，?2013，?（3）：65～68.

[10]馬逸群.?探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)[J].?教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，?2013，?（8）：20～21.

[11]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，衛(wèi)生部，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB/T18883-2002，?室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].?北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，?2002.

[12]彭春艷，?張羿，?李德前.?“點(diǎn)火爆炸”實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].?中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，?2019，?（5）：45～46.

[13]朱紅杰，?李德前，?張羿.?借助氫氣爆鳴??探究微粒運(yùn)動(dòng)[J].?實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，?2019，?（10）：33～34.