乙酸分子直徑測(cè)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

紀(jì)玉婷　張繼祿

摘要： 乙酸分子直徑測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中，利用朗格茂（Langmuir）吸附理論的單分子層吸附模型，將測(cè)定分子的直徑轉(zhuǎn)為與吸附量相關(guān)聯(lián)。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用傳感器和TI計(jì)算器等新技術(shù)，試圖讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用科學(xué)模型和簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法，間接測(cè)定未知物理量。通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生經(jīng)歷和體會(huì)建立模型的過程，培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知的學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 乙酸; 分子直徑測(cè)定; 模型認(rèn)知; 傳感器; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2020）01006304

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2018年1月頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》關(guān)于課程方案明確指出“普通髙中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)”?；瘜W(xué)核心素養(yǎng)中包括“模型認(rèn)知”，其中要求學(xué)生建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。為了讓學(xué)生體會(huì)理論模型建構(gòu)的過程，教學(xué)設(shè)計(jì)需要按照建立模型的過程，讓學(xué)生運(yùn)用相關(guān)理論和模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)而得出結(jié)論，引

導(dǎo)學(xué)生反思模型的條件和適用范圍。

在中學(xué)教學(xué)中，測(cè)定分子直徑的方法一般是油膜法，屬于物理學(xué)科的拓展實(shí)驗(yàn)，用于測(cè)定難溶于水的有機(jī)物的分子直徑。而使用光譜儀是目前測(cè)定分子直徑比較精確的方法，但由于儀器價(jià)格昂貴，難以在課堂教學(xué)中使用。本實(shí)驗(yàn)利用吸附理論的單分子層吸附的模型將測(cè)定分子的直徑轉(zhuǎn)化為測(cè)定溶液的濃度。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用傳感器使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確，利用TI計(jì)算器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，試圖讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用科學(xué)模型和已知的實(shí)驗(yàn)方法，間接測(cè)定未知物理量。通過解決具體問題，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1模型認(rèn)知

1.1模型的概念界定

在科學(xué)和數(shù)學(xué)中模型起著重要作用，模型的含義是人為設(shè)計(jì)的，以簡(jiǎn)化的方式反映和再現(xiàn)具體對(duì)象或現(xiàn)象的基本特征、關(guān)系和功能，因此它可以作為檢驗(yàn)和分析現(xiàn)實(shí)的工具[1]。化學(xué)學(xué)科中的模型主要有以下幾類： 球棍模型、晶胞結(jié)構(gòu)模型屬于實(shí)物模型;化學(xué)方程式和公式屬于數(shù)學(xué)模型;電子云示意圖屬于圖像模型;元素周期律、蓋斯定律屬于語(yǔ)義模型[2]。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的“模型認(rèn)知”，要求學(xué)生可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型。所以“模型認(rèn)知”可以理解為要求學(xué)生“認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科中的“模型”。

1.2模型認(rèn)知的素養(yǎng)水平

綜合《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的素養(yǎng)水平，參照布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)（修訂版）對(duì)認(rèn)知維度的劃分，將“模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平劃分為4個(gè)層次[3]。

值得注意的是，在培養(yǎng)學(xué)生較高水平的素養(yǎng)（水平4，見表1），也就是建構(gòu)模型能力的時(shí)候，需要學(xué)生參

與模型建立和使用的整個(gè)過程。為了讓學(xué)生更加關(guān)注運(yùn)用和建立模型的過程而非模型本身，選擇了學(xué)生較為陌生的“測(cè)定乙酸分子直徑”的實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)不但增加了中學(xué)化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，還符合建立和使用模型的主要過程。

2“乙酸分子直徑測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以“乙酸分子直徑測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，探討培養(yǎng)“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。據(jù)水平4的要求，教學(xué)需要包括以下幾個(gè)部分： 分析要素（在復(fù)雜問題情境中）、構(gòu)建模型、對(duì)比模型、討論范圍和局限性。根據(jù)建立模型的過程來設(shè)計(jì)教學(xué)過程： 第一，高中階段直接測(cè)定分子的直徑是比較困難的，屬于較復(fù)雜的化學(xué)問題;第二，建立吸附理論中的概念;第三，建立單分子層吸附模型;第四，根據(jù)模型將測(cè)定分子的直徑轉(zhuǎn)化為測(cè)定溶液的濃度;第五，對(duì)比兩種測(cè)定方法中的模型，討論它們的適用范圍和局限性。

2.1回顧已有模型

在中學(xué)教學(xué)中，油膜法測(cè)分子直徑是上?？萍汲霭嫔绺咭弧段锢怼方滩闹械囊粋€(gè)探究實(shí)驗(yàn)，利用單層分子形成的油膜估測(cè)分子大小。在教學(xué)過程中，要求學(xué)生建立“單分子層”的物理模型（見圖1），不考慮油分子之間的間隙，將分子視為球形，所以油分子層厚度就是直徑[4]。在實(shí)驗(yàn)中，用膠頭滴管量取油酸體積，利用毫米方格紙和痱子粉測(cè)定油膜面積，從而計(jì)算得到分子直徑。

2.2建立新模型

2.1.1吸附理論

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)“溶液吸附法測(cè)定固體比表面積”的原理和模型進(jìn)行改進(jìn)[5]。朗格繆爾（Langmuir）吸附理論認(rèn)為： 吸附是單分子層吸附，即吸附劑一旦被吸附質(zhì)占據(jù)之后，就不能再吸附，吸附和解吸附形成平衡。同時(shí)假定吸附作用是均勻的，吸附分子之間無相互作用。本實(shí)驗(yàn)使用活性炭吸附乙酸，要求學(xué)生建立單分子層吸附平衡的模型（見圖2）。

設(shè)Γ∞為飽和吸附量，即表面被吸附質(zhì)鋪滿單分子層時(shí)的吸附量（見圖3）。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得Γ∞數(shù)值并查得吸附劑的比表面S0，每個(gè)乙酸分子所占面積可按下式計(jì)算得到，從而計(jì)算得到分子直徑，公式如下。

S（CH3COOH）=S0Γ∞×6.02×1023

D=4S（CH3COOH）π

2.2.2利用Γ求得?！?/p>

由于實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到飽和吸附，所以本實(shí)驗(yàn)測(cè)得四個(gè)不同濃度乙酸溶液中活性炭的吸附量Γ，利用作圖求得?！?。

在平衡濃度為c時(shí)的吸附量Γ可用下式表示：

Γ=?！轐c1+Kc，將上式重新整理可得下一形式cΓ=c?！?1?！轐

作cΓc的圖，得一直線，由這一直線的斜率可求得?！?。

2.2.3利用測(cè)定物質(zhì)的量濃度求Γ

對(duì)于比表面很大的多孔性或高度分散的吸附劑，如活性炭和硅膠等，在溶液中有較強(qiáng)的吸附能力。Γ通常指每克吸附劑上吸附溶質(zhì)的摩爾數(shù)： Γ=Xm=（c0-c）Vm

式中X為吸附溶質(zhì)的物質(zhì)的量;m為吸附劑的質(zhì)量;c0為吸附前溶液的物質(zhì)的量濃度，c為吸附后溶液的物質(zhì)的量濃度，V為溶液的總體積，假定吸附前后溶液體積不變。實(shí)驗(yàn)利用測(cè)定吸附前后溶液的物質(zhì)的量濃度計(jì)算得Γ。

2.3學(xué)生實(shí)驗(yàn)

（1） 將學(xué)生分為4組，取4個(gè)已洗凈的帶塞錐形瓶，用電子天平稱取活性炭，向每瓶中分別加入1克左右活性炭，然后再加入100mL 4種不同濃度的乙酸溶液。

（2） 將各錐形瓶用磨口塞塞好，用磁力攪拌儀攪拌，恒溫30℃（裝置見圖4）。

（3） 在攪拌30min期間，用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定4種乙酸溶液吸附前的起始濃度。

（4） 攪拌30min后，用漏斗將溶液過濾到另一干燥錐形瓶中，再用NaOH溶液滴定（裝置見圖5）。

組成的滴定裝置

（5） 記錄數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜，學(xué)生使用TI計(jì)算器作為輔助工具。作cΓc的圖，得一直線，見圖6，直線斜率m=95.28

上?？萍汲霭嫔绲奈锢斫滩闹袑懙?，分子直徑的數(shù)量級(jí)是10-10m，實(shí)驗(yàn)誤差較小。

2.5誤差分析和適用條件

（1） 根據(jù)單分子層吸附模型的基本假定，固體表面對(duì)液體的吸附是單分子層的。如果實(shí)驗(yàn)是明顯的多層吸附，可能導(dǎo)致測(cè)定的分子直徑偏小。

（2） 假定被吸附的分子之間無相互作用，也就是被吸附在表面上的分子是互相獨(dú)立的。然而分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子之間有作用力。為了更符合吸附模型，實(shí)驗(yàn)中不能使用高濃度的乙酸溶液。

3基于“模型認(rèn)知”教學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

（1） 問題描述。建立模型的第一步是對(duì)問題作出明確的說明，比如確定研究目的、問題范圍和所需準(zhǔn)確度[6]。在上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中，筆者將問題簡(jiǎn)化為測(cè)定“單分子層”模型中的分子直徑，并以此選擇測(cè)定對(duì)象和實(shí)驗(yàn)方法。在建立模型的過程中，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)經(jīng)常修改或者以更精確的方式來重新表述問題。

（2） 在選擇和設(shè)計(jì)模型時(shí)，首先必須考慮模型是否合適以及模型的成本。合適是指要建模的對(duì)象在定性和定量描述上都必須準(zhǔn)確，以符合模型的預(yù)期目標(biāo);其次，比較兩個(gè)同樣合適的模型時(shí)，需要較少假設(shè)和資源的模型會(huì)更好。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法和儀器都較為簡(jiǎn)單，是高中生了解單分子層吸附模型、測(cè)定分子直徑的一種簡(jiǎn)便方法。

（3） 明確模型條件和適用范圍。一部分科學(xué)模型在現(xiàn)實(shí)中是可以實(shí)現(xiàn)的，一部分不可以，這不能作為評(píng)價(jià)一個(gè)科學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)[7]。一個(gè)科學(xué)模型是否能在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)，這取決于它的抽象程度和理想程度。所以在教學(xué)過程中必須讓學(xué)生明確模型使用條件和適用范圍。無論是油膜法還是吸附法測(cè)定分子直徑，沒有建立模型時(shí)的假設(shè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也將不可信。

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