探究分子運動現(xiàn)象的實驗創(chuàng)新設計

廣東省佛山市南海區(qū)鹽步初級中學(528247) 李青年

廣東省佛山市教育局教學研究室(528000) 潘 紅

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗在中學化學教學中發(fā)揮著重要作用，一個趣味性強和現(xiàn)象明顯的實驗，不僅能提高學生的學習興趣，還能更好地幫助學生掌握和理解理論知識，提高學生動手和小組合作的能力[1]。探究分子運動現(xiàn)象的實驗是對學生“微粒觀”“運動觀”啟蒙的關鍵實驗。如果通過現(xiàn)象明顯、對比性強的實驗裝置來證明分子是不斷運動的，就有利于幫助學生直觀可視化地理解微觀粒子的運動行為，同時也可以培養(yǎng)學生“科學思維”和“科學探究與實踐”的化學核心素養(yǎng)。

1 實驗背景

人教版義務教育教科書化學九年級上冊第3單元課題1“分子和原子”中探究分子運動現(xiàn)象的實驗(見圖1)：利用濃氨水有揮發(fā)性，揮發(fā)出的氨分子運動到酚酞溶液中使其變紅，從而證明了分子是不斷運動的。

圖1 教材實驗裝置

但是教材實驗有以下不足：

(1)原實驗裝置不是密閉的，會對環(huán)境造成污染并損害人體健康。

(2)藥品用量比較多，不僅浪費，也不符合“綠色化學”的理念。

(3)實驗操作較為繁瑣，不適合學生分組實驗，而用于教師的演示實驗，又缺少了對學生實驗操作能力的訓練和科學探究的情感體驗。

(4)實驗時間較長、現(xiàn)象不明顯，大大降低了課堂教學效率。

(5)實驗對比性不夠強，不能很好地讓學生理解使酚酞變紅的是什么物質。

(6)實驗功能性單一，不能同時驗證溫度對分子運動的影響和不同分子運動速率是不同的。

筆者基于以上不足進行創(chuàng)新，在生活中“取材”，利用吸管、棉簽、筆筒等自制了一款微型裝置，實驗效果明顯、實用性更強，能為理解分子運動的課堂教學提供新的參考。

2 教具制作

2.1 儀器和試劑

(1)儀器：透明吸管、棉簽、透明筆筒(中性筆制)、標簽紙、濾紙條、2只小燒杯、熱水。

(2)試劑：濃氨水、蒸餾水、酚酞溶液、濃鹽酸。

2.2 制作原理

濃氨水具有很強的揮發(fā)性，揮發(fā)出來的氨分子溶于水形成氨水，氨水電離呈堿性，能使無色酚酞溶液變?yōu)榧t色；濃氨水揮發(fā)出來的氨分子與濃鹽酸揮發(fā)出來的氯化氫分子發(fā)生化學反應，生成氯化銨白色固體，形成白煙。

2.3 制作方法

制作思路：將教材實驗中的大燒杯改為透明吸管、小燒杯改為棉簽(見圖2)；用常見中性筆的透明筆筒作為加速分子運動實驗的關鍵裝置。

圖2 改進裝置用到的器材

具體方法：取數(shù)支透明吸管，每一支都剪成約5 cm的長度。取其中一支吸管，兩端分別貼上“水”和“酚酞”的標簽；另取三支吸管，兩端分別貼上“酚酞”和“濃氨水”的標簽；再取一支吸管，兩端分別貼上“濃鹽酸”和“濃氨水”的標簽。透明筆筒的制作：取兩支中性筆，去掉筆芯，拔出上端筆蓋和下端筆帽。

3 實驗設計

實驗1：取一支棉簽，在其一端滴加酚酞溶液，置于空氣中30 s，棉簽不變色，放進透明吸管貼有“酚酞”標簽的一端；再取一支棉簽，一端滴加蒸餾水后，放進同一支透明吸管貼有“水”標簽的一端；使兩支棉簽接觸，觀察實驗現(xiàn)象。

整個過程未觀察到明顯現(xiàn)象(見圖3)，說明空氣和水都不能使酚酞溶液變色。

圖3 實驗1實驗現(xiàn)象

實驗2：取一支棉簽，在其一端滴加酚酞溶液，放進透明吸管貼有“酚酞”標簽的一端；再取一支棉簽，滴加濃氨水后，放進同一支透明吸管貼有“濃氨水”標簽的一端；使兩支棉簽接觸，觀察實驗現(xiàn)象。

觀察到滴有酚酞溶液的棉簽變紅色(見圖4)，說明濃氨水可以使酚酞溶液變紅色。

圖4 實驗2實驗現(xiàn)象

實驗3：取一支棉簽，在其一端滴加酚酞溶液，放進透明吸管貼有“酚酞”標簽的一端；再取一支棉簽，滴加濃氨水后，放進同一支透明吸管貼有“濃氨水”標簽的一端；使兩支棉簽不接觸，觀察實驗現(xiàn)象。

觀察到滴有酚酞溶液的棉簽變紅色(見圖5)，說明分子是不斷運動的。

圖5 實驗3實驗現(xiàn)象

實驗4：取一支棉簽，在其一端滴加酚酞溶液，晾干后，放進透明吸管貼有“酚酞”標簽的一端；再取一支棉簽，滴加濃氨水后，放進同一支透明吸管貼有“濃氨水”標簽的一端；使兩支棉簽不接觸，觀察實驗現(xiàn)象。

觀察到滴有酚酞的棉簽未變色(見圖6)，結合實驗3中的現(xiàn)象，說明利用濃氨水探究分子不斷運動的原理是氨分子運動到酚酞溶液中，與酚酞溶液中的水化合成一水合氨，才使酚酞變紅，而不是氨分子直接使酚酞溶液變紅。

圖6 實驗4實驗現(xiàn)象

實驗5：取一支棉簽，滴加濃氨水，再取一支棉簽，滴加濃鹽酸，分別放進透明吸管貼有“濃氨水”和“濃鹽酸”的一端；使兩只棉簽不接觸，觀察實驗現(xiàn)象。

觀察到塑料管內(nèi)出現(xiàn)白煙，而且白煙比較靠近濃氨水一端(見圖7)，說明氨分子和氯化氫分子都在不斷運動，同時也說明氯化氫分子的運動速率比氨分子快。

圖7 實驗5實驗現(xiàn)象

實驗6：在透明筆筒中塞進濾紙條，滴加等量的酚酞溶液，使濾紙條充分吸收酚酞溶液，備用。向拔下的筆帽中滴加等量的濃氨水，迅速同時蓋上筆帽并分別放入裝有熱水與冷水的小燒杯中，一段時間后，觀察實驗現(xiàn)象。

觀察發(fā)現(xiàn)：盛熱水的燒杯中，濾紙條變紅色的距離長，高度更高(見圖8)，說明溫度越高，分子運動速率越快。

圖8 實驗6實驗現(xiàn)象

4 裝置優(yōu)點

(1)從生活中“取材”來完成探究實驗，實驗材料廉價易得且可以重復利用，體現(xiàn)了“綠色化學”的設計理念。此外，還增加了課堂的趣味性，激發(fā)了學生聯(lián)系生活進行創(chuàng)新創(chuàng)造的科學思維。

(2)實驗裝置簡單、操作簡便，微型化的自制教具，不僅節(jié)約了藥品，還減少了氨氣和氯化氫氣體對環(huán)境的污染和對人體健康的傷害。

(3)設計了系列對比實驗，很好地培養(yǎng)了學生系統(tǒng)設計、對比分析的思維能力和控制變量的化學實驗設計思想。

(4)實驗現(xiàn)象更明顯且實驗時間更短，不僅提高了實驗教學的課堂效率，而且更好地幫助學生建立宏微結合的學科思維。

(5)實驗材料易得，便于開展分組實驗，提高學生的實驗操作能力，增強學生的實驗體驗。

5 創(chuàng)新設計感悟

針對教材實驗裝置的不足，筆者嘗試用“微型化”+“綠色化”+“從生活取材”的化學實驗設計思想，結合“生本教育”理念進行創(chuàng)新設計，從而突破微觀粒子是不斷運動的這一教學難點。

梳理本實驗創(chuàng)新教具的研究和開發(fā)歷程，發(fā)現(xiàn)“創(chuàng)新”不是個別人的專利，它源于教師對教學難題的深度思考，有了“教然后知困”的深度思考，每位教師皆可創(chuàng)新。此裝置在2021年廣東省中學化學優(yōu)質教學資源征集評審活動中獲得了初中化學實驗創(chuàng)新優(yōu)秀作品一等獎，具備推廣使用的價值。