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

摘要： 針對(duì)現(xiàn)行教科書中“探究微粒運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)存在可視性差、有污染等問題，在查閱并分析相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用自制探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)玻璃儀器、帶夾橡皮塞以及一次性醫(yī)用注射器等器材，設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)約、可視、全封閉一體化實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置增補(bǔ)了溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)速率影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、成功率高。

關(guān)鍵詞： 微粒運(yùn)動(dòng); 實(shí)驗(yàn)裝置; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）02-0056-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題提出

實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要方法和手段，“探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”是學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)后從宏觀物質(zhì)過渡到微觀粒子的學(xué)習(xí)，了解宏觀和微觀聯(lián)系的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于幫助學(xué)生走進(jìn)微觀世界，形成微粒觀，落實(shí)培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用，因此該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值不言而喻?，F(xiàn)行義務(wù)教育教科書[1，2]中為了說明微粒具有的性質(zhì)——構(gòu)成物質(zhì)的微粒是在不停地運(yùn)動(dòng)的，編寫過程中均采用了義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）

提供的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1所示），實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3]如下： “向燒杯A中加入20mL蒸餾水，滴入2-3滴酚酞溶液，

讓每個(gè)同學(xué)都看到溶液是無色的。向燒杯B中加入10mL濃氨水。用一只大燒杯把A、B兩燒杯溶液罩在一起。幾分鐘后，可以發(fā)現(xiàn)燒杯A中的溶液由無色變成紅色”。

在課堂演示實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下不足：

（1） 整個(gè)授課過程中，裝置不便移動(dòng)，可視性較差，限制了課堂演示的效果。

（2） 裝置并不是封閉體系，從大燒杯口逸出的氨氣影響了課堂教學(xué)效果，造成了環(huán)境污染。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，還有一些氨氣殘留在裝置中，且較難處理。

（4） 實(shí)驗(yàn)說明了微粒的運(yùn)動(dòng)性，但卻無法說明溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)速率的影響及具體關(guān)系。

2? 已有研究概述

通過在中國(guó)知網(wǎng)中輸入“微粒運(yùn)動(dòng)”等關(guān)鍵詞進(jìn)行

檢索，得到若干篇相關(guān)文獻(xiàn)。仔細(xì)研讀發(fā)現(xiàn)，一線教師雖然對(duì)該實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn)和創(chuàng)新，但也存在一些問題，具體如下。

2.1? 利用生活廢棄物改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

“探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)”一文[4]（如圖2所示）存在的問題有： （1）日光燈玻璃管的處理比較麻煩，管內(nèi)的熒光粉易進(jìn)入呼吸道，損害人體健康;（2）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備和操作步驟較繁瑣;（3）實(shí)驗(yàn)操作過程中不可避免有氨氣逸出，會(huì)造成環(huán)境污染。

2.2? 利用常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

“微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)”一文[5]（如圖3所示）存在的問題有： （1）裝置不密封，實(shí)驗(yàn)操作過程中仍然有氨氣和氯化氫氣體逸出，會(huì)污染環(huán)境;（2）無法說明溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)速率影響的具體關(guān)系。

2.3? 利用自制教具改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

“封閉U型管在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用”一文[6]（如圖4所示）存在的問題有： （1）實(shí)驗(yàn)開始滴加濃氨水的過程中，氨水揮發(fā)，有氨氣逸出，存在環(huán)境污染;（2）不能將氨水同時(shí)滴入橡皮塞小孔內(nèi)，無法很好地控制變量。

3? 微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1? 設(shè)計(jì)理念

根據(jù)探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，立足于實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)約化、綠色化、可視化、一體化，努力做到保證實(shí)驗(yàn)的可操作性、嚴(yán)密性、科學(xué)性、安全性。演示探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，氨水揮發(fā)出來的氨氣使酚酞濾紙條變色，說明微粒的運(yùn)動(dòng)性;等量氨水在不同溫度的冷熱水中揮發(fā)出來的氨氣速率快慢不等，使酚酞濾紙條變色的長(zhǎng)短不同，說明溫度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)速率影響的具體關(guān)系;實(shí)驗(yàn)完畢，殘留的多余氨氣及氨水可以用稀硫酸來吸收。自制探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置和常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器通過精巧的設(shè)計(jì)和組合，最終實(shí)現(xiàn)氨氣的產(chǎn)生、探究微粒運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、溫度高低對(duì)氨分子運(yùn)動(dòng)快慢的影響和多余氨氣及氨水吸收的一體化，確保實(shí)驗(yàn)者能很好地使用該裝置順利完成演示教學(xué)內(nèi)容。

3.2? 設(shè)計(jì)方案

參照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，可以通過推動(dòng)一次性醫(yī)用注射器栓塞，使氨水通過導(dǎo)管緩緩進(jìn)入探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，在玻璃管底部產(chǎn)生氨氣。氨氣使酚酞濾紙條變色以及變色的速率快慢均在裝置兩側(cè)的長(zhǎng)玻璃管內(nèi)進(jìn)行，氨分子運(yùn)動(dòng)速率的快慢則通過將裝置下端的玻璃管底部浸入裝有等體積的熱水和冷水的燒杯中來完成[7]，多余的氨氣及氨水則通過一次性醫(yī)用注射器重新注入適量的稀硫酸來吸收。氣球則既可以保證實(shí)驗(yàn)的安全性，平衡探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置內(nèi)外的壓強(qiáng)，防止內(nèi)部壓強(qiáng)過大導(dǎo)致裝置頂部橡皮塞被沖出，也可以防止多余的具有刺激性氣味的氨氣逸出。

3.3? 實(shí)驗(yàn)原理

（1） 濃氨水具有揮發(fā)性;

（2） 氨氣溶于水顯堿性，能使酚酞試液變紅;

（3） 微粒是在不停地運(yùn)動(dòng)的，溫度越高，微粒運(yùn)動(dòng)速率越快;

（4） 氨氣及氨水均能與稀硫酸反應(yīng)：

① 2NH3+H2SO4（NH4）2SO4;

② 2NH3·H2O+H2SO4（NH4）2SO4+2H2O。

3.4? 實(shí)驗(yàn)用品

儀器： 探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)特制玻璃儀器1個(gè)、一次性醫(yī)用注射器（50mL）1支、止水夾1個(gè)、鐵架臺(tái)1個(gè)、噴霧瓶1個(gè)、帶夾橡膠塞2個(gè)、小氣球2個(gè)、燒杯（250mL）2個(gè)、乳膠管若干

藥品及試劑： 濃氨水、酚酞試液、稀硫酸、蒸餾水、冷水、熱水、濾紙條（45cm×2cm）

3.5? 裝置設(shè)計(jì)

3.5.1? 核心組件制作

探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置核心組件的制作： 一是用于存放濃氨水和酚酞濾紙條的探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)玻璃儀器（如圖5所示），可按設(shè)計(jì)圖向廠家直接訂購;二是用于夾持酚酞濾紙條和密封裝置的帶夾橡膠塞，可將小號(hào)長(zhǎng)尾票夾和自攻螺絲用電烙鐵焊接后，將螺絲擰緊橡膠塞小端固定制成。

3.5.2? 裝置組裝

取一小段乳膠管，在中間部位夾上止水夾，乳膠管一端連接一次性醫(yī)用注射器，另一端連接探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)玻璃儀器下端中間的導(dǎo)管口，在儀器左右上部外側(cè)導(dǎo)管口分別套上兩個(gè)小氣球，用乳膠管固定，在儀器左右頂部分別塞上帶夾橡膠塞，即組裝完成一套探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置（如圖6所示）。

4? 實(shí)驗(yàn)過程

4.1? 實(shí)驗(yàn)操作

（1） 檢查整個(gè)裝置的氣密性。按照?qǐng)D6連接好儀器，打開止水夾，拔下一次性醫(yī)用注射器，拉動(dòng)注射器栓塞，抽取一定體積空氣后，接上乳膠管，推動(dòng)注射器栓塞，觀察裝置中兩個(gè)小氣球的變化情況。

（2） 用帶夾橡膠塞上的夾子夾住酚酞濾紙條（實(shí)驗(yàn)前將濾紙按尺寸裁剪后，用酚酞溶液浸泡、晾干制成）的一端，將酚酞濾紙條用蒸餾水噴霧法潤(rùn)濕后，分別置于裝置兩邊玻璃管內(nèi)，使濾紙條垂直懸掛。用注射器吸取約20mL濃氨水后，與乳膠管相連接。

（3） 將裝置固定在鐵架臺(tái)上，用力推動(dòng)注射器栓塞，使?jié)獍彼ㄟ^導(dǎo)管進(jìn)入裝置下端兩側(cè)玻璃管內(nèi)，觀察玻璃管內(nèi)酚酞濾紙條變色情況。

（4） 將裝置下端玻璃管同時(shí)浸入裝有等體積的熱水和冷水的燒杯中，觀察兩邊玻璃管內(nèi)，酚酞濾紙條自下而上變紅的速率快慢情況。

（5） 實(shí)驗(yàn)演示結(jié)束后，關(guān)閉止水夾，拔下注射器，拉動(dòng)栓塞，吸取適量稀硫酸，連接上乳膠管，打開止水夾，推動(dòng)栓塞，使稀硫酸進(jìn)入裝置下端兩邊玻璃管內(nèi)，然后將裝置從鐵架臺(tái)上取下，搖動(dòng)裝置，觀察小氣球變化情況。

4.2? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋

（1） 推動(dòng)注射器栓塞，鼓入空氣，發(fā)現(xiàn)氣球變大，是因?yàn)檠b置內(nèi)氣壓大于裝置外氣壓，說明裝置氣密性良好。

（2） 實(shí)驗(yàn)開始后，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)的酚酞濾紙條自下而上慢慢變紅，是因?yàn)榘狈肿舆\(yùn)動(dòng)到濕潤(rùn)的酚酞濾紙條上，溶于水生成了顯堿性的氨水，使酚酞變紅，說明微粒是在不停地運(yùn)動(dòng)的。

（3） 裝置下端玻璃管底部同時(shí)浸入裝有等體積的熱水和冷水的燒杯中，發(fā)現(xiàn)浸入熱水一端玻璃管內(nèi)的酚酞濾紙條自下而上變紅的速率比浸入冷水一端的要快，是因?yàn)橄嗤瑮l件下，溫度升高，氨分子運(yùn)動(dòng)速率加快，說明溫度越高，微粒運(yùn)動(dòng)速率越快。

（4） 搖動(dòng)裝置，發(fā)現(xiàn)小氣球變癟了，是因?yàn)檠b置內(nèi)多余的氨氣及氨水與稀硫酸迅速反應(yīng)被吸收了。

5? 實(shí)驗(yàn)說明

（1） 用一次性醫(yī)用注射器吸取濃氨水前，可以先抽取約20mL空氣后再吸取濃氨水，這樣可以借助空氣將導(dǎo)管里殘留的氨水也壓入裝置兩邊玻璃管內(nèi)。

（2） 將裝置固定在鐵架臺(tái)上時(shí)，要保持玻璃管兩邊位置平衡，防止推動(dòng)注射器栓塞進(jìn)入裝置下端兩邊玻璃管底部的濃氨水體積不相等。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將裝置內(nèi)的濾紙條取出晾干后，下次演示實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)使用。

（4） 將濃氨水換成濃鹽酸，酚酞濾紙條換成紫色石蕊濾紙條同樣也能進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)。

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