有色物質在水中擴散實驗的新設計

李德前 魏海

摘要：在現行初中化學、物理、科學等教科書中，根據某些有色物質在水中擴散的實驗和生活現象，從而得出“微粒不斷運動”的推論并不夠嚴謹。為了克服重力場和密度差的干擾，利用彎曲形狀容器（如U形管、V形管、連通器等），選用密度大于水的有色易溶物質，對“有色物質在水中的擴散”實驗進行了改進。通過有色物質在水中向下分散、向上擴散的實驗現象，可以合理地得出“微粒不斷運動”的結論。

關鍵詞：有色易溶物質；水中擴散；重力場干擾；密度差干擾；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）3–0060–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

基礎教育課程改革以來，各種版本的義務教育化學、物理、科學等教科書為了說明“物質是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構成的”，以及“微粒總是在不斷運動的”，大多包含了“有色物質在水中擴散”的實驗或生活現象。但依據該實驗設計或有關生活現象得出的結論有點牽強附會，筆者對此進行了分析和改進。

人民教育出版社2001年以來出版的九年級化學教科書上冊，均安排了“品紅在水中擴散”的實驗（課本配圖見圖1）；2012年出版的九年級化學教科書在該實驗之后，還陳述道“如果使用的是熱水，品紅的擴散會更快一些”[1]。

上海教育出版社2001年以來出版的九年級化學教科書上冊，在“練習與實踐”欄目均安排如下習題：“試解釋下列現象：將一滴紅墨水滴加到一杯水中，片刻后，整杯水慢慢變紅。[2]”

北京教育出版社2003年以來出版的九年級化學教科書上冊（北京市仁愛教育研究所編著），在“聯系實際”欄目均安排了如下問題：“你能用微粒構成物質的觀點說明下列事實并解釋生活中更多的現象嗎：藍墨水把水染成藍色。[3]”（課本配圖見圖2）

科學出版社、廣東教育出版社2003～2011年期間出版的九年級化學教科書上冊，在“習題”欄目中安排了如下習題：“請你用分子的觀念解釋：把幾滴藍墨水滴進水杯的水里，過一會兒整杯水就變藍了。”（課本配圖見圖3）；2012年出版的九年級化學教科書，則將該內容和配圖調整到教材正文的“討論與交流”欄目里[4]。

山東教育出版社2012年出版的九年級化學教科書上冊，在“挑戰自我”欄目中安排了一道單項選擇題：“對下列現象的解釋錯誤的是（ ）……B.現象：紅墨水加入水中后，整杯液體變為紅色。解釋：分子總是在不斷運動。[5]”

上海教育出版社2007年以來出版的九年級化學課本（上海市教材），在“思考與討論”欄目中安排了如下問題：“為什么將少量品紅放入一盆水中，過一段時間后，整盆水都呈紅色？[6]”

江蘇科學技術出版社2012年出版的八年級物理教科書下冊，在“活動”欄目呈現了“紅墨水在水中散開”的生活事實（課本配圖見圖4），并陳述道“將紅墨水滴入水中，可以看到它在水中擴散開來，這是由于墨水分子和水分子不停地做無規則運動，彼此進入了對方的分子空隙中”[7]。

浙江教育出版社2012年出版的七年級科學教科書上冊，在“活動”欄目中安排了“液體擴散實驗：用注射器慢慢將紅墨水分別注入冷、熱水的底部”[8]。（課本配圖見圖5）

綜上可知，初中化學、物理、科學教科書一直注重選用“有色物質在水中擴散”的實驗或生活現象作為教材內容。

上述有色物質（品紅、紅墨水、藍墨水等）均是在豎直狀容器（燒杯、水杯、臉盆、魚缸等）的水里向下分散，有色物質如密度大于水這主要是重力作用的結果，并非全是微粒熱運動所引發的擴散。密度大于水的有色物質（如紅墨水、藍墨水等），其在水中快速下降的宏觀展示，還常常給學生以微粒快速運動的假象，其實單位時間內微粒運動表現出來的宏觀位移是非常小的。如果是把密度小于水的有色物質加入水底，則由于密度差的作用會快速向上分散，這同樣也是微粒擴散的假象。

最近，浙江大學郭喨老師對人教版“品紅在水中擴散”演示實驗的優化設計是：在無風的恒溫室內，將吸有品紅溶液的針管緩慢伸入等密度溶液不進行任何注射操作而將其固定起來，任由長針頭接觸點的品紅自由擴散進入溶液中[9]。由于郭老師的實驗是在燒杯里進行的，所以他仍然沒有解決“重力干擾”問題，而且郭老師的改進實驗現象也不夠明顯，給出的實驗條件在教室里也難以達到。

基于初中生的知識水平，并結合初中實驗室和教室的裝備實際，筆者主要從排除“重力場”和“密度差”干擾的視角，對“有色物質在水中擴散”實驗進行改進。經過反復試驗，選用彎曲狀透明儀器（如U形管、V形管、連通器等）和密度大于水的有色固體物質（如高錳酸鉀、甲基橙等）進行實驗，根據密度大于水的有色物質在水中向下分散（并使周圍的水全部變色）的現象，可以得出“物質都是由微小粒子構成”的結論；根據密度大于水的有色物質在水底能夠水平擴散、向上擴散，又可以得出“微粒總是在不斷運動”的結論。

3.1 實驗用品

U形管、連通器、V形管、藥匙等。

高錳酸鉀固體（ρ=2.703 g/cm3）、甲基橙固體（ρ=1.28 g/cm3）、蒸餾水等。

3.2 實驗操作

以下實驗均在室溫28℃的實驗室中進行，室內也無明顯的空氣流動。

（1）改進實驗Ⅰ裝置見圖6，夾持裝置略。

①取一個20×200mm的U形管，然后將U形管固定。

②先向U形管里加入適量的蒸餾水（水面離管口約2～3cm，水若過多易從管口濺出），再將適量（藥匙的小匙取半匙）的高錳酸鉀固體，加入U形管左支管的水中。可以觀察到高錳酸鉀在水中快速下沉，不到2min整個左支管內的水從上到下逐漸變為紫紅色。其間，可以引導學生思考“高錳酸鉀加入U形管左支管的水中后，為什么整個左支管中的水都逐漸變成了紫紅色”，從而引發學生得出“物質都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構成的”客觀事實。

③進入U形管底部的高錳酸鉀微粒，又逐漸進入U形管右支管的水中，并異常緩慢地向上擴散（30min內紫紅色向上的位移約有1cm）。其間，可以引導學生思考“為什么高錳酸鉀在水中會向上擴散”，于是得出“微粒總是在不斷運動”的實驗結論。

（持續觀察可以發現，實驗進行到10h左右，U形管右支管里的水才全部變紅。）

（2）改進實驗Ⅱ裝置見圖7，夾持裝置略。

①用口徑約為1cm的玻璃管，自制規格為8×8×8cm的有柄V形玻璃管[10]，然后將其固定。

②從V形管的左支管口，先注入適量的蒸餾水（水面離支管口約2cm），再將適量（藥匙的小匙取1/3匙）的高錳酸鉀固體加入水中。可以觀察到水中的高錳酸鉀顆粒順著支管內壁緩緩向下移動，不到3min整個左支管內的水從上往下逐漸變為紫紅色。此時，可以引導學生思考“為什么高錳酸鉀加入V形管左支管的水中后，整個左支管里的水都逐漸變成了紫紅色”，進而引發學生得出“物質都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構成的”客觀事實。

③進入V形管底部的高錳酸鉀微粒，又逐漸進入V形管右支管的水中，并極其緩慢地向上擴散（30min內紫紅色斜向上的位移約有1.5cm）。其間，可以引導學生思考“為什么高錳酸鉀在水中會向上擴散”，這又不難得出“微粒總是在不斷運動”的實驗結論。

（持續觀察可以發現，實驗進行到8h左右，V形管右支管里的水才全部變紅。）

（3）改進實驗Ⅲ裝置見圖8。

①取一個物理實驗使用的連通器，將其放置在平穩的地方，然后向其中注入適量的蒸餾水（水面離管口約有2～3cm）。

②從連通器粗直管的管口加入適量（藥匙的小匙取一平匙）的高錳酸鉀固體，可以觀察到高錳酸鉀顆粒在水中快速下沉，不到3min整個粗直管內的水從上往下逐漸變為紫紅色。此時，引導學生思考“高錳酸鉀加入連通器粗直管的水中后，為什么粗直管中的水都逐漸變成了紫紅色”，從而引發學生得出“物質都是由極其微小的、肉眼看不見的微粒構成的”客觀事實。

③進入連通器底部水中的高錳酸鉀微粒，在水平管中極其緩慢地向右水平擴散（30min內紫紅色的位移約有1.5cm）。隨后，高錳酸鉀微粒又先后進入連通器細曲管、雙球管、細直管的水中。在30min內，紫紅色在細直管的水中能上升1cm左右，在雙球管的水中能上升0.5cm左右（可能是球型空間延緩了微粒的位移），在細曲管的水中能上升0.3cm左右（可能是又細又彎的形狀增加了微粒之間的碰撞幾率，造成位移偏小）（見圖9）。其間，可以引導學生思考“為什么高錳酸鉀在水中會水平擴散、向上擴散”，從而得出“微粒總是在不斷運動”的實驗結論。

（持續觀察可以發現，實驗進行到12h左右，細直管里的水才全部變紅；24h左右，細曲管、雙球管里的水才全部變紅。）

另外，選用甲基橙作為示蹤物質進行上述實驗，發現甲基橙擴散的速率相對于高錳酸鉀而言會慢很多，這可能與甲基橙是分子結構、高錳酸鉀是離子結構有關，還可能與甲基橙的密度小于高錳酸鉀而略大于水有關。

3.3 幾點說明

（1）本實驗不宜使用密度小于水的有色物質（如品紅）進行示蹤，因為密度小于水的有色物質在水中擴散時，其在水中下降會受到重力干擾，而從水底上升又受到密度差的干擾。

（2）實驗中有色固體不要加的太少，否則實驗現象不夠明顯。

（3）實驗過程中，儀器一定要保持平穩，不能有絲毫的晃動，否則就相當于增加了攪拌操作，使得實驗結果的可信度降低。

（4）利用連通器進行實驗時，有色固體最好從粗直管或細直管加入，這樣可以縮短實驗時間。如果從細曲管或雙球管加入，微粒擴散得異常緩慢，不利于實驗演示。

（5）微粒運動的速率雖然是很快的（約為10m/s），但由于微粒碰撞致使微粒運動的方向隨時改變，因而微觀粒子的位移最低可能僅有10-9～ 10-10m/s，所以高錳酸鉀、甲基橙在水中向上擴散時的速率慢、位移小。課堂上教學時間有限，只要觀察到有色物質在水中有明顯的水平移動、向上移動現象，即可說明“微粒不斷運動”，而不必等到微粒完全擴散到整個水中。若要滿足學生持續觀察實驗現象的需要，教師可以提前將實驗裝置放在教室內或提前拍攝實驗視頻。本節課中教師既演示實驗，又適時播放相關視頻（最好用快進播放），從而彌補不能連續觀察實驗現象的不足。

（6）若要證明溫度與微粒運動速率的關系，可以使用對比實驗，即相同的實驗儀器、相同的有色物質，不同溫度的蒸餾水。

3.4 改進后的實驗優點

（1）使用U形管、V形管、連通器等非直線型儀器進行實驗，密度大于水的有色物質能在水底向上擴散，有效地排除了重力場、密度差的宏觀干擾，更加有利于微觀粒子運動的宏觀展示，因此實驗結論嚴謹科學，更有說服力。

（2）實驗設計新穎，具有一定的趣味性，容易激發學生學習化學的興趣；實驗設計科學，能夠培養學生嚴謹求實的科學態度。

參考文獻：

[1]課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2015：48.

[2]中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2011：59.

[3]北京市仁愛教育研究所.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：北京教育出版社，2012：54.

[4]江琳才，錢揚義，李開祥.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：科學出版社，廣州：廣東教育出版社，2012：43.

[5]畢華林，盧巍.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].濟南：山東教育出版社，2012：29.

[6]姚子鵬，陳基福，洪東福.九年義務教育課本·化學（九年級第一學期）[M].上海：上海教育出版社，2015：39.

[7]劉炳昇，李容.義務教育課程標準實驗教科書·物理（八年級下冊）[M].南京：江蘇科學技術出版社，2012：43.

[8]朱清時.義務教育課程標準實驗教科書·科學（七年級上冊）[M].杭州：浙江教育出版社，2012：26.

[9]郭喨.品紅在水中擴散演示實驗的優化設計[J].化學教學，2015，（5）：69～72.

[10]李德前，杜玉芬.巧用長柄V形玻璃管改進和設計化學實驗[J].化學教學，2013，（8）：41～43.