分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

福建省廈門集美中學(xué)(361021) 陳娜潔 饒慧伶

化學(xué)家傅鷹曾提到:“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué),只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭?！盵1],明確了實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要地位,是形成物質(zhì)和化學(xué)變化的基本觀念、發(fā)展質(zhì)疑和批評(píng)的思維能力、創(chuàng)新意識(shí)以及安全意識(shí)和環(huán)保習(xí)慣的重要推手[2]。探究分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生“微粒觀”啟蒙的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。 如果通過(guò)現(xiàn)象明顯、對(duì)比性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)證明分子是不斷運(yùn)動(dòng)的,就有利于幫助學(xué)生直觀地理解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)行為,從而體會(huì)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中獲取證據(jù),基于證據(jù)分析得出分子在不斷運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)背景

如圖1為人教版義務(wù)教育教科書化學(xué)9年級(jí)上冊(cè)第3單元課題1“分子和原子”中探究分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置:實(shí)驗(yàn)中濃氨水和酚酞溶液沒(méi)有直接接觸但可變紅,說(shuō)明氨分子運(yùn)動(dòng)到酚酞溶液中使其變紅,從而證明了分子是不斷運(yùn)動(dòng)的[3-4]。

圖1 教材實(shí)驗(yàn)裝置

但教材實(shí)驗(yàn)仍存在以下不足:

(1)實(shí)驗(yàn)裝置不密閉,造成環(huán)境污染并損害人體健康。

(2)藥品用量較多,不符合“綠色化學(xué)”的理念。

(3)實(shí)驗(yàn)裝置只能在講臺(tái)上演示,不利于全體學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,不符合“以學(xué)生為主體”的原則。

筆者基于以上不足探索創(chuàng)新,在生活中“取材”,利用密封透明食品瓶、礦泉水瓶蓋等自制了一款微型裝置,經(jīng)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果明顯、實(shí)用性更強(qiáng)。依托該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的化學(xué)課堂教學(xué)可以發(fā)揮以下功能:

(1)通過(guò)探究什么物質(zhì)使酚酞變紅,體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程,增強(qiáng)提出猜想,基于證據(jù)作出分析并解決問(wèn)題的能力。

(2)通過(guò)觀察氨分子在同一高度上不定向運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究與實(shí)踐中發(fā)展科學(xué)探究、自主學(xué)習(xí)及問(wèn)題解決的能力[2]。

2 教具制作

2.1 儀器和試劑

(1)儀器:密封透明食品瓶、礦泉水瓶蓋、濾紙條、膠頭滴管、鑷子。

(2)試劑:濃氨水、蒸溜水、酚酞溶液。

2.2 制作原理

濃氨水具有很強(qiáng)的揮發(fā)性,揮發(fā)出來(lái)的氨分子溶于水形成氨水,氨水呈堿性,能使無(wú)色酚酞溶液變?yōu)榧t色。

2.3 制作方法

制作思路:用密封透明食品瓶替代教材實(shí)驗(yàn)中的大燒杯,用濾紙條、礦泉水瓶蓋分別替代小燒杯A、B(如圖2)。

圖2 分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

具體方法:取數(shù)張濾紙,每張都剪成約6 cm×3 cm大小。取濾紙用酚酞浸濕后貼在食品瓶?jī)?nèi)側(cè),礦泉水瓶蓋用來(lái)盛放濃氨水。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)1:取1張濾紙,用酚酞溶液浸濕, 貼在食品瓶?jī)?nèi)側(cè),用滴管往礦泉水瓶蓋中滴加約1 mL濃氨水,用鑷子夾持瓶蓋放入食品瓶底部,迅速用蓋子密封食品瓶,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

觀察到浸有酚酞溶液的濾紙自上而下變紅,變化過(guò)程如圖3。在實(shí)驗(yàn)中,浸有酚酞溶液的濾紙與濃氨水沒(méi)有直接接觸,但能變紅,說(shuō)明分子是不斷運(yùn)動(dòng)的。濾紙自上而下變紅,靠近濃氨水的濾紙下端是最后變紅,說(shuō)明了氨分子的密度小于空氣,先往上運(yùn)動(dòng)。

圖3 濾紙變紅過(guò)程

實(shí)驗(yàn)2:探究什么物質(zhì)使酚酞變紅

依托該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置開展如下實(shí)驗(yàn):

(1)取1張濾紙,用酚酞溶液浸濕,烘干后,置于空氣中。

(2)取1張濾紙,用酚酞溶液浸濕,烘干后,噴水置于空氣中。

(3)取1張濾紙,用酚酞溶液浸濕,烘干后,用鑷子夾持放入底部有濃氨水瓶蓋的食品瓶中。

(4)將步驟(3)中的濾紙取出噴水后,用鑷子夾持放入底部有濃氨水瓶蓋的食品瓶中。

(5)用鑷子取出步驟(4)中變紅的濾紙放置在空氣中約2 min,再用鑷子夾持上述濾紙重新放入底部放有濃氨水瓶蓋的食品瓶中,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

觀察到步驟(1)中濾紙放置于空氣中,濾紙沒(méi)有變紅(如圖4),說(shuō)明空氣中的成分不能使酚酞變紅,實(shí)驗(yàn)2中噴水后濾紙也沒(méi)變紅(如圖5),說(shuō)明水也不能使酚酞變紅。

圖4 步驟(1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖5 步驟(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

步驟(3)中酚酞溶液浸濕的濾紙烘干后,用鑷子夾持放入底部放有濃氨水瓶蓋的食品瓶中(說(shuō)明:本實(shí)驗(yàn)用的酚酞溶液是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)酚酞溶液與水按7:1稀釋的)。觀察到干濾紙較長(zhǎng)時(shí)間未變色(如圖6),說(shuō)明僅有濃氨水揮發(fā)出來(lái)的氨氣不能使酚酞變紅。步驟(4)將濾紙取出噴水后,再放入食品瓶中,噴水后的濾紙變紅(如圖7)。說(shuō)明利用濃氨水探究分子不斷運(yùn)動(dòng)的原理是氨分子運(yùn)動(dòng)到酚酞溶液中,與酚酞溶液中的水共同作用使酚酞變紅,而不是氨氣直接使酚酞溶液變紅。步驟(5)中變紅的濾紙置于空氣中褪色(如圖8),說(shuō)明溶于濕潤(rùn)濾紙中的氨分子運(yùn)動(dòng)到空氣中去,再次體現(xiàn)了分子在不斷運(yùn)動(dòng)的特性,將褪色后濾紙重新放入底部放有濃氨水瓶蓋的食品瓶中,濾紙立刻變紅(如圖9),再次說(shuō)明酚酞變紅是氨氣和水共同作用的結(jié)果。

圖6 步驟(3)現(xiàn)象

圖7 步驟(4)現(xiàn)象

圖9 步驟(5)濾紙重新變紅現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)3:取3張濾紙,用酚酞溶液浸濕, 貼在食品瓶不同位置,另取1張濾紙用濃氨水浸濕,貼在食品瓶?jī)?nèi)側(cè),使它的位置與之前的濾紙形成隔位、間位、對(duì)位的關(guān)系,迅速用蓋子密封食品瓶,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

觀察到浸有酚酞溶液的濾紙變紅且不同位置的濾紙變紅情況沒(méi)有大的差異,變化過(guò)程如圖10所示,說(shuō)明氨分子同一高度上不定向運(yùn)動(dòng)。

圖10 不同位置濾紙變紅過(guò)程

實(shí)驗(yàn)4:取1張濾紙,用不同濃度的酚酞溶液(用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)酚酞溶液與水按不同比例配制)浸濕, 貼在食品瓶?jī)?nèi)側(cè),用滴管往礦泉水瓶蓋滴加約1 mL濃氨水,用鑷子夾持瓶蓋放入食品瓶底部,迅速用蓋子密封食品瓶,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(如圖11～12所示)。

圖11 較稀濃度酚酞溶液浸泡濾紙變紅情況

圖12 較濃濃度酚酞溶液浸泡濾紙變紅情況

觀察到較稀酚酞溶液浸潤(rùn)的濾紙變紅是呈點(diǎn)狀分布,較濃酚酞溶液浸潤(rùn)的濾紙變紅是呈連續(xù)分布。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的可能原因?yàn)?不同濃度的酚酞溶液浸潤(rùn)的濾紙上酚酞分子分布的密集程度不同。濃的酚酞溶液浸潤(rùn)的濾紙上酚酞分子比較密集,變紅后連成一片,所以濾紙變紅是呈連續(xù)分布。稀的酚酞溶液浸潤(rùn)的濾紙上酚酞分子比較稀疏,變紅后連不成一片,所以濾紙變紅是呈點(diǎn)狀分布。

4 裝置優(yōu)點(diǎn)

(1)本探究實(shí)驗(yàn)的用品,依托生活中常見的材料。實(shí)驗(yàn)材料價(jià)廉易得且可重復(fù)利用,體現(xiàn)了 “綠色化學(xué)”的設(shè)計(jì)理念,學(xué)生從中了解化學(xué)與日常生活的密切關(guān)系,逐步養(yǎng)成環(huán)保習(xí)慣[4]。

(2)實(shí)驗(yàn)裝置不用組裝,操作十分簡(jiǎn)便,藥品用量少,裝置全程密閉,減少氨氣對(duì)環(huán)境的污染。

(3)裝置可移動(dòng)便于展示,增強(qiáng)了全班學(xué)生的參與感,有條件可分組實(shí)驗(yàn)。

(4)通過(guò)設(shè)計(jì)的系列對(duì)比實(shí)驗(yàn),滲透控制變量的思想,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中形成質(zhì)疑能力,且能基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理,并養(yǎng)成從宏觀、微觀相結(jié)合的視角探究物質(zhì)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)方式。

(5)通過(guò)該實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題的真實(shí)探究過(guò)程,知道化學(xué)實(shí)驗(yàn)是獲取、收集證據(jù)并以此分析解釋得出結(jié)論的過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造與應(yīng)用,發(fā)揮出化學(xué)教學(xué)啟智增慧的育人價(jià)值。

5 創(chuàng)新設(shè)計(jì)感悟

從發(fā)現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)裝置的不足到挖掘此實(shí)驗(yàn)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能,筆者嘗試用“從生活取材”的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想,結(jié)合“控制變量”理念進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),直觀展示微觀粒子是不斷運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因?yàn)樽C據(jù)推理是重要的科學(xué)思維過(guò)程和方法,初中階段教師應(yīng)重視引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成從實(shí)驗(yàn)中獲取證據(jù)的意識(shí),為學(xué)生進(jìn)一步形成“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”素養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后可分組實(shí)驗(yàn),方便學(xué)生更好體驗(yàn)基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理的過(guò)程。此裝置在2022年廈門市中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)比賽中獲得了初中化學(xué)組二等獎(jiǎng),具備推廣使用的價(jià)值。