分子運動現象創新實驗

福建省廈門集美中學(361021) 陳娜潔 饒慧伶

化學家傅鷹曾提到:“化學是實驗的科學,只有實驗才是最高法庭?！盵1],明確了實驗在化學學習中的重要地位,是形成物質和化學變化的基本觀念、發展質疑和批評的思維能力、創新意識以及安全意識和環保習慣的重要推手[2]。探究分子運動現象的實驗是對學生“微粒觀”啟蒙的關鍵實驗。 如果通過現象明顯、對比性強的實驗裝置來證明分子是不斷運動的,就有利于幫助學生直觀地理解微觀粒子的運動行為,從而體會從實驗現象中獲取證據,基于證據分析得出分子在不斷運動的結論。

1 實驗背景

如圖1為人教版義務教育教科書化學9年級上冊第3單元課題1“分子和原子”中探究分子運動現象的實驗裝置:實驗中濃氨水和酚酞溶液沒有直接接觸但可變紅,說明氨分子運動到酚酞溶液中使其變紅,從而證明了分子是不斷運動的[3-4]。

圖1 教材實驗裝置

但教材實驗仍存在以下不足:

(1)實驗裝置不密閉,造成環境污染并損害人體健康。

(2)藥品用量較多,不符合“綠色化學”的理念。

(3)實驗裝置只能在講臺上演示,不利于全體學生觀察實驗現象,不符合“以學生為主體”的原則。

筆者基于以上不足探索創新,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,經檢驗實驗效果明顯、實用性更強。依托該改進實驗的化學課堂教學可以發揮以下功能:

(1)通過探究什么物質使酚酞變紅,體驗科學探究的過程,增強提出猜想,基于證據作出分析并解決問題的能力。

(2)通過觀察氨分子在同一高度上不定向運動的現象,引導學生在科學探究與實踐中發展科學探究、自主學習及問題解決的能力[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

濃氨水具有很強的揮發性,揮發出來的氨分子溶于水形成氨水,氨水呈堿性,能使無色酚酞溶液變為紅色。

2.3 制作方法

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

圖2 分子運動現象創新實驗裝置

具體方法:取數張濾紙,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內側,礦泉水瓶蓋用來盛放濃氨水。

3 實驗設計

實驗1:取1張濾紙,用酚酞溶液浸濕, 貼在食品瓶內側,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,觀察實驗現象。

觀察到浸有酚酞溶液的濾紙自上而下變紅,變化過程如圖3。在實驗中,浸有酚酞溶液的濾紙與濃氨水沒有直接接觸,但能變紅,說明分子是不斷運動的。濾紙自上而下變紅,靠近濃氨水的濾紙下端是最后變紅,說明了氨分子的密度小于空氣,先往上運動。

圖3 濾紙變紅過程

實驗2:探究什么物質使酚酞變紅

依托該改進實驗裝置開展如下實驗:

(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,觀察實驗現象。

觀察到步驟(1)中濾紙放置于空氣中,濾紙沒有變紅(如圖4),說明空氣中的成分不能使酚酞變紅,實驗2中噴水后濾紙也沒變紅(如圖5),說明水也不能使酚酞變紅。

圖4 步驟(1)實驗現象

圖5 步驟(2)實驗現象

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(說明:本實驗用的酚酞溶液是實驗室標準酚酞溶液與水按7:1稀釋的)。觀察到干濾紙較長時間未變色(如圖6),說明僅有濃氨水揮發出來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)。說明利用濃氨水探究分子不斷運動的原理是氨分子運動到酚酞溶液中,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),說明溶于濕潤濾紙中的氨分子運動到空氣中去,再次體現了分子在不斷運動的特性,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),再次說明酚酞變紅是氨氣和水共同作用的結果。

圖6 步驟(3)現象

圖7 步驟(4)現象

圖9 步驟(5)濾紙重新變紅現象

實驗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,貼在食品瓶內側,使它的位置與之前的濾紙形成隔位、間位、對位的關系,迅速用蓋子密封食品瓶,觀察實驗現象。

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有大的差異,變化過程如圖10所示,說明氨分子同一高度上不定向運動。

圖10 不同位置濾紙變紅過程

實驗4:取1張濾紙,用不同濃度的酚酞溶液(用實驗室標準酚酞溶液與水按不同比例配制)浸濕, 貼在食品瓶內側,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,觀察實驗現象(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的濾紙變紅是呈點狀分布,較濃酚酞溶液浸潤的濾紙變紅是呈連續分布。

出現以上現象的可能原因為:不同濃度的酚酞溶液浸潤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分布。稀的酚酞溶液浸潤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狀分布。

4 裝置優點

(1)本探究實驗的用品,依托生活中常見的材料。實驗材料價廉易得且可重復利用,體現了 “綠色化學”的設計理念,學生從中了解化學與日常生活的密切關系,逐步養成環保習慣[4]。

(2)實驗裝置不用組裝,操作十分簡便,藥品用量少,裝置全程密閉,減少氨氣對環境的污染。

(3)裝置可移動便于展示,增強了全班學生的參與感,有條件可分組實驗。

(4)通過設計的系列對比實驗,滲透控制變量的思想,使學生在實驗中形成質疑能力,且能基于實驗事實進行證據推理,并養成從宏觀、微觀相結合的視角探究物質變化規律的認識方式。

(5)通過該實驗體驗發現問題,解決問題的真實探究過程,知道化學實驗是獲取、收集證據并以此分析解釋得出結論的過程,引導學生在實驗中發現、創造與應用,發揮出化學教學啟智增慧的育人價值。

5 創新設計感悟

從發現教材實驗裝置的不足到挖掘此實驗新的實驗教學功能,筆者嘗試用“從生活取材”的化學實驗設計思想,結合“控制變量”理念進行創新設計,直觀展示微觀粒子是不斷運動的實驗現象。因為證據推理是重要的科學思維過程和方法,初中階段教師應重視引導學生養成從實驗中獲取證據的意識,為學生進一步形成“證據推理和模型認知”素養打下堅實的基礎[5]。本實驗改進后可分組實驗,方便學生更好體驗基于實驗事實進行證據推理的過程。此裝置在2022年廈門市中小學實驗教學比賽中獲得了初中化學組二等獎,具備推廣使用的價值。