借助便攜式氧氣傳感器探究微粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002) 周珊珊 張 羿 李德前

現(xiàn)行多個(gè)版本的9年級(jí)化學(xué)教科書在“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”單元中,均編排了“探究微粒運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)。教科書上都是借助濃氨水與酚酞溶液的試劑組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,從定性的角度探究了分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。客觀地說,該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象很明顯、直觀,但是濃氨水的揮發(fā)與外逸對(duì)環(huán)境造成了一定的污染。

在已有研究的基礎(chǔ)上[1-4],我們借助便攜式氧氣傳感器,設(shè)計(jì)了探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化、定量化。

1 實(shí)驗(yàn)用品

氧氣,二氧化碳,熱水;便攜式氧氣傳感器,計(jì)時(shí)器,300 mL廣口塑料瓶,燒杯等。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示(夾持儀器略)。

圖1 借助便攜式氧氣傳感器探究微粒運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)步驟

為縮小實(shí)驗(yàn)誤差、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可信度,每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次;為了控制變量,節(jié)約時(shí)間,每次實(shí)驗(yàn)都從氧氣體積分?jǐn)?shù)為96%開始計(jì)時(shí),記錄1 min內(nèi)氧氣濃度隨時(shí)間的變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見表1。

表1 塑料瓶?jī)?nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化

(1)實(shí)驗(yàn)1:充滿氧氣的塑料瓶常溫下敞口正立時(shí)氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口正立的塑料瓶中,如圖1(a),記錄氧氣濃度隨時(shí)間的變化(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見表1),發(fā)現(xiàn)氧氣濃度緩慢減小。

(2)實(shí)驗(yàn)2:充滿氧氣的塑料瓶加熱條件下敞口正立時(shí)氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口正立塑料瓶中,再將塑料瓶放入裝有65 ℃熱水的燒杯中,如圖1(b),記錄氧氣濃度隨時(shí)間的變化,發(fā)現(xiàn)氧氣濃度較快減小。

(3)實(shí)驗(yàn)3:充滿氧氣的塑料瓶常溫下敞口倒立時(shí)氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口倒立的塑料瓶中,如圖1(c),記錄氧氣濃度隨時(shí)間的變化,發(fā)現(xiàn)氧氣濃度很快減小。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用Qrigin軟件作圖,將實(shí)驗(yàn)1～3中得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖2所示。分析圖2可以得出如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

圖2 3種情況下氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的對(duì)比

(1)充滿氧氣的塑料瓶敞口正立時(shí),氧氣濃度不斷減小,說明氧分子在不斷向瓶外逸出,進(jìn)而可知微粒在不斷運(yùn)動(dòng)。

(2)充滿氧氣的塑料瓶敞口正立,加熱時(shí)氧氣濃度減小的速率明顯快于常溫時(shí)氧氣濃度減小的速率,這說明溫度越高微粒運(yùn)動(dòng)的速率越快。

(3)充滿氧氣的塑料瓶,敞口倒立時(shí)氧氣濃度減小的速率明顯快于敞口正立時(shí)氧氣濃度減小的速率,說明密度比空氣大的氣體有強(qiáng)烈的向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)本實(shí)驗(yàn)以便攜式氧氣傳感器為基礎(chǔ),輔以常見的實(shí)驗(yàn)用品,所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅可以直觀地說明微粒的運(yùn)動(dòng)性,還反映出環(huán)境溫度、氣體密度對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)快慢的影響。

(2)本實(shí)驗(yàn)使用的便攜式氧氣傳感器價(jià)格較低,易于推廣;借助氧氣的擴(kuò)散進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,實(shí)驗(yàn)過程對(duì)環(huán)境友好。

(3)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵豐富,重視宏微結(jié)合的學(xué)科實(shí)踐,讓學(xué)生感受到了化學(xué)的魅力,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和創(chuàng)新意識(shí)具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用[5]。

(4)從學(xué)生已熟悉的氧氣入手,以化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向,注重知識(shí)的銜接,有利于學(xué)生直觀、全面地認(rèn)識(shí)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本性質(zhì)和氣體的物理性質(zhì)。

(5)如果將氧氣換成二氧化碳?xì)怏w,仍然使用便攜式氧氣傳感器測(cè)量敞口正立塑料瓶里氧氣濃度變化(如圖3),不難發(fā)現(xiàn)氧氣傳感器的讀數(shù)會(huì)從0開始逐漸增大,并最終達(dá)到21%左右,這同樣說明微粒在不斷運(yùn)動(dòng)。

圖3 借助便攜式氧氣傳感器探究微粒運(yùn)動(dòng)的另一種裝置