探究微粒運動實驗裝置的新設(shè)計

摘要： 針對現(xiàn)行教科書中“探究微粒運動”實驗存在可視性差、有污染等問題，在查閱并分析相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，利用自制探究微粒運動實驗玻璃儀器、帶夾橡皮塞以及一次性醫(yī)用注射器等器材，設(shè)計一套簡約、可視、全封閉一體化實驗裝置。該裝置增補了溫度對微粒運動速率影響的對比實驗，操作簡單、現(xiàn)象明顯、成功率高。

關(guān)鍵詞： 微粒運動; 實驗裝置; 實驗改進; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）02-0056-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

實驗探究是學習化學的重要方法和手段，“探究微粒運動實驗”是學生學習元素化合物知識后從宏觀物質(zhì)過渡到微觀粒子的學習，了解宏觀和微觀聯(lián)系的第一個實驗，對于幫助學生走進微觀世界，形成微粒觀，落實培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)具有重要作用，因此該實驗的教學價值不言而喻。現(xiàn)行義務教育教科書[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動的，編寫過程中均采用了義務教育化學課程標準（2011年版）

提供的實驗裝置（如圖1所示），實驗內(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，

讓每個同學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”。

在課堂演示實驗中發(fā)現(xiàn)以下不足：

（1） 整個授課過程中，裝置不便移動，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效果，造成了環(huán)境污染。

（3） 實驗結(jié)束后，還有一些氨氣殘留在裝置中，且較難處理。

（4） 實驗說明了微粒的運動性，但卻無法說明溫度對微粒運動速率的影響及具體關(guān)系。

2? 已有研究概述

通過在中國知網(wǎng)中輸入“微粒運動”等關(guān)鍵詞進行

檢索，得到若干篇相關(guān)文獻。仔細研讀發(fā)現(xiàn)，一線教師雖然對該實驗做了一些改進和創(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實驗

“探究微粒運動實驗的新設(shè)計”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)的熒光粉易進入呼吸道，損害人體健康;（2）實驗前的準備和操作步驟較繁瑣;（3）實驗操作過程中不可避免有氨氣逸出，會造成環(huán)境污染。

2.2? 利用常規(guī)實驗儀器改進實驗

“微粒運動實驗的新設(shè)計”一文[5]（如圖3所示）存在的問題有： （1）裝置不密封，實驗操作過程中仍然有氨氣和氯化氫氣體逸出，會污染環(huán)境;（2）無法說明溫度對微粒運動速率影響的具體關(guān)系。

2.3? 利用自制教具改進實驗

“封閉U型管在對比實驗中的應用”一文[6]（如圖4所示）存在的問題有： （1）實驗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）不能將氨水同時滴入橡皮塞小孔內(nèi)，無法很好地控制變量。

3? 微粒運動實驗裝置設(shè)計

3.1? 設(shè)計理念

根據(jù)探究微粒運動實驗的特點，立足于實驗的簡約化、綠色化、可視化、一體化，努力做到保證實驗的可操作性、嚴密性、科學性、安全性。演示探究微粒運動實驗時，氨水揮發(fā)出來的氨氣使酚酞濾紙條變色，說明微粒的運動性;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短不同，說明溫度對微粒運動速率影響的具體關(guān)系;實驗完畢，殘留的多余氨氣及氨水可以用稀硫酸來吸收。自制探究微粒運動實驗裝置和常規(guī)實驗儀器通過精巧的設(shè)計和組合，最終實現(xiàn)氨氣的產(chǎn)生、探究微粒運動性質(zhì)、溫度高低對氨分子運動快慢的影響和多余氨氣及氨水吸收的一體化，確保實驗者能很好地使用該裝置順利完成演示教學內(nèi)容。

3.2? 設(shè)計方案

參照實驗設(shè)計理念，可以通過推動一次性醫(yī)用注射器栓塞，使氨水通過導管緩緩進入探究微粒運動實驗改進裝置，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)的長玻璃管內(nèi)進行，氨分子運動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驗的安全性，平衡探究微粒運動實驗改進裝置內(nèi)外的壓強，防止內(nèi)部壓強過大導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? 實驗原理

（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） 微粒是在不停地運動的，溫度越高，微粒運動速率越快;

（4） 氨氣及氨水均能與稀硫酸反應：

① 2NH3+H2SO4（NH4）2SO4;

② 2NH3·H2O+H2SO4（NH4）2SO4+2H2O。

3.4? 實驗用品

儀器： 探究微粒運動實驗特制玻璃儀器1個、一次性醫(yī)用注射器（50mL）1支、止水夾1個、鐵架臺1個、噴霧瓶1個、帶夾橡膠塞2個、小氣球2個、燒杯（250mL）2個、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

3.5.1? 核心組件制作

探究微粒運動實驗改進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動實驗玻璃儀器（如圖5所示），可按設(shè)計圖向廠家直接訂購;二是用于夾持酚酞濾紙條和密封裝置的帶夾橡膠塞，可將小號長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動實驗玻璃儀器下端中間的導管口，在儀器左右上部外側(cè)導管口分別套上兩個小氣球，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動實驗的改進裝置（如圖6所示）。

4? 實驗過程

4.1? 實驗操作

（1） 檢查整個裝置的氣密性。按照圖6連接好儀器，打開止水夾，拔下一次性醫(yī)用注射器，拉動注射器栓塞，抽取一定體積空氣后，接上乳膠管，推動注射器栓塞，觀察裝置中兩個小氣球的變化情況。

（2） 用帶夾橡膠塞上的夾子夾住酚酞濾紙條（實驗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上，用力推動注射器栓塞，使?jié)獍彼ㄟ^導管進入裝置下端兩側(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） 實驗演示結(jié)束后，關(guān)閉止水夾，拔下注射器，拉動栓塞，吸取適量稀硫酸，連接上乳膠管，打開止水夾，推動栓塞，使稀硫酸進入裝置下端兩邊玻璃管內(nèi)，然后將裝置從鐵架臺上取下，搖動裝置，觀察小氣球變化情況。

4.2? 實驗現(xiàn)象及解釋

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

（2） 實驗開始后，發(fā)現(xiàn)濕潤的酚酞濾紙條自下而上慢慢變紅，是因為氨分子運動到濕潤的酚酞濾紙條上，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動的。

（3） 裝置下端玻璃管底部同時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，是因為相同條件下，溫度升高，氨分子運動速率加快，說明溫度越高，微粒運動速率越快。

（4） 搖動裝置，發(fā)現(xiàn)小氣球變癟了，是因為裝置內(nèi)多余的氨氣及氨水與稀硫酸迅速反應被吸收了。

5? 實驗說明

（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上時，要保持玻璃管兩邊位置平衡，防止推動注射器栓塞進入裝置下端兩邊玻璃管底部的濃氨水體積不相等。

（3） 實驗結(jié)束，將裝置內(nèi)的濾紙條取出晾干后，下次演示實驗可以重復使用。

（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行該實驗。

參考文獻：

[1] 課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)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，2013： 49.

[2] 中學化學國家課程標準研制組.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海： 上海教育出版社，2013： 63.

[3] 中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京： 北京師范大學出版社，2012： 13.

[4] 朱玉忠，李德前.探究微粒運動實驗的新設(shè)計[J].化學教學，2016，（1）： 68.

[5] 朱建華.微粒運動實驗的新設(shè)計[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019， （20）： 50.

[6][7] 謝丹敏，湯中華.封閉U型管在對比實驗中的應用[J].化學教學，2016， （4）： 82.