乙酸分子直徑測定的實驗設計

紀玉婷　張繼祿

摘要： 乙酸分子直徑測定的實驗中，利用朗格茂（Langmuir）吸附理論的單分子層吸附模型，將測定分子的直徑轉為與吸附量相關聯。在實驗過程中，使用傳感器和TI計算器等新技術，試圖讓學生學會使用科學模型和簡單的實驗方法，間接測定未知物理量。通過實驗讓學生經歷和體會建立模型的過程，培養學生模型認知的學科素養。

關鍵詞： 乙酸; 分子直徑測定; 模型認知; 傳感器; 實驗設計

文章編號： 10056629（2020）01006304

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

2018年1月頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》關于課程方案明確指出“普通髙中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，著力發展核心素養”。化學核心素養中包括“模型認知”，其中要求學生建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。為了讓學生體會理論模型建構的過程，教學設計需要按照建立模型的過程，讓學生運用相關理論和模型進行實驗測定，處理實驗數據進而得出結論，引

導學生反思模型的條件和適用范圍。

在中學教學中，測定分子直徑的方法一般是油膜法，屬于物理學科的拓展實驗，用于測定難溶于水的有機物的分子直徑。而使用光譜儀是目前測定分子直徑比較精確的方法，但由于儀器價格昂貴，難以在課堂教學中使用。本實驗利用吸附理論的單分子層吸附的模型將測定分子的直徑轉化為測定溶液的濃度。在實驗過程中，使用傳感器使實驗結果更加精確，利用TI計算器進行數據處理和分析，試圖讓學生學會使用科學模型和已知的實驗方法，間接測定未知物理量。通過解決具體問題，提高學生的核心素養。

1模型認知

1.1模型的概念界定

在科學和數學中模型起著重要作用，模型的含義是人為設計的，以簡化的方式反映和再現具體對象或現象的基本特征、關系和功能，因此它可以作為檢驗和分析現實的工具[1]。化學學科中的模型主要有以下幾類： 球棍模型、晶胞結構模型屬于實物模型;化學方程式和公式屬于數學模型;電子云示意圖屬于圖像模型;元素周期律、蓋斯定律屬于語義模型[2]。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中的“模型認知”，要求學生可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型。所以“模型認知”可以理解為要求學生“認知”化學學科中的“模型”。

1.2模型認知的素養水平

綜合《普通高中化學課程標準（2017年版）》中的素養水平，參照布盧姆教育目標分類學（修訂版）對認知維度的劃分，將“模型認知”素養水平劃分為4個層次[3]。

值得注意的是，在培養學生較高水平的素養（水平4，見表1），也就是建構模型能力的時候，需要學生參

與模型建立和使用的整個過程。為了讓學生更加關注運用和建立模型的過程而非模型本身，選擇了學生較為陌生的“測定乙酸分子直徑”的實驗。本實驗不但增加了中學化學定量實驗的內容，還符合建立和使用模型的主要過程。

2“乙酸分子直徑測定”的實驗設計

以“乙酸分子直徑測定”實驗為例，探討培養“模型認知”素養的實驗教學設計。據水平4的要求，教學需要包括以下幾個部分： 分析要素（在復雜問題情境中）、構建模型、對比模型、討論范圍和局限性。根據建立模型的過程來設計教學過程： 第一，高中階段直接測定分子的直徑是比較困難的，屬于較復雜的化學問題;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，根據模型將測定分子的直徑轉化為測定溶液的濃度;第五，對比兩種測定方法中的模型，討論它們的適用范圍和局限性。

2.1回顧已有模型

在中學教學中，油膜法測分子直徑是上海科技出版社高一《物理》教材中的一個探究實驗，利用單層分子形成的油膜估測分子大小。在教學過程中，要求學生建立“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]。在實驗中，用膠頭滴管量取油酸體積，利用毫米方格紙和痱子粉測定油膜面積，從而計算得到分子直徑。

2.2建立新模型

2.1.1吸附理論

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

設Γ∞為飽和吸附量，即表面被吸附質鋪滿單分子層時的吸附量（見圖3）。

由實驗測得Γ∞數值并查得吸附劑的比表面S0，每個乙酸分子所占面積可按下式計算得到，從而計算得到分子直徑，公式如下。

S（CH3COOH）=S0Γ∞×6.02×1023

D=4S（CH3COOH）π

2.2.2利用Γ求得Γ∞

由于實驗中無法達到飽和吸附，所以本實驗測得四個不同濃度乙酸溶液中活性炭的吸附量Γ，利用作圖求得Γ∞。

在平衡濃度為c時的吸附量Γ可用下式表示：

Γ=Γ∞Kc1+Kc，將上式重新整理可得下一形式cΓ=cΓ∞+1Γ∞K

作cΓc的圖，得一直線，由這一直線的斜率可求得Γ∞。

2.2.3利用測定物質的量濃度求Γ

對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，在溶液中有較強的吸附能力。Γ通常指每克吸附劑上吸附溶質的摩爾數： Γ=Xm=（c0-c）Vm

式中X為吸附溶質的物質的量;m為吸附劑的質量;c0為吸附前溶液的物質的量濃度，c為吸附后溶液的物質的量濃度，V為溶液的總體積，假定吸附前后溶液體積不變。實驗利用測定吸附前后溶液的物質的量濃度計算得Γ。

2.3學生實驗

（1） 將學生分為4組，取4個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標準溶液滴定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） 記錄數據。

2.4數據處理

由于數據處理過程較為復雜，學生使用TI計算器作為輔助工具。作cΓc的圖，得一直線，見圖6，直線斜率m=95.28

上海科技出版社的物理教材中寫到，分子直徑的數量級是10-10m，實驗誤差較小。

2.5誤差分析和適用條件

（1） 根據單分子層吸附模型的基本假定，固體表面對液體的吸附是單分子層的。如果實驗是明顯的多層吸附，可能導致測定的分子直徑偏小。

（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立的。然而分子結構復雜，分子之間有作用力。為了更符合吸附模型，實驗中不能使用高濃度的乙酸溶液。

3基于“模型認知”教學設計的要點

（1） 問題描述。建立模型的第一步是對問題作出明確的說明，比如確定研究目的、問題范圍和所需準確度[6]。在上述實驗設計的過程中，筆者將問題簡化為測定“單分子層”模型中的分子直徑，并以此選擇測定對象和實驗方法。在建立模型的過程中，要讓學生學會經常修改或者以更精確的方式來重新表述問題。

（2） 在選擇和設計模型時，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象在定性和定量描述上都必須準確，以符合模型的預期目標;其次，比較兩個同樣合適的模型時，需要較少假設和資源的模型會更好。本實驗測定方法和儀器都較為簡單，是高中生了解單分子層吸附模型、測定分子直徑的一種簡便方法。

（3） 明確模型條件和適用范圍。一部分科學模型在現實中是可以實現的，一部分不可以，這不能作為評價一個科學模型的標準[7]。一個科學模型是否能在現實中實現，這取決于它的抽象程度和理想程度。所以在教學過程中必須讓學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定分子直徑，沒有建立模型時的假設，實驗結果也將不可信。

參考文獻：

[1][6]Philip Gerlee， Torbjrn Lundh. Scientific Models [M]. SpringerVerlag Berlin Heidelberg， 1997： 1， 5～7.

[2]陸軍. 化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J]. 化學教學， 2017， （9）： 20～21.

[3]楊玉琴. 化學核心素養之“模型認知”能力的測評研究[J]. 化學教學， 2017， （7）： 9.

[4]沈桅. 不用方格紙的“油膜法測分子直徑”實驗——細化教學目標在實驗教學中的一次嘗試[J]. 物理教學， 2015， （4）： 31.

[5]唐林， 劉紅天， 溫會玲. 物理化學實驗（第二版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 122.

[7]S. Ducheyne. Towards an Ontology of Scientific Models [J]. Int Ontology Metaphysics， 2008， （9）： 121～122.