孟彥　李德前

摘要：依據(jù)氣體擴散原理，對“探究微粒運動”實驗進行改進和優(yōu)化。新設計的實驗分別借助人的嗅覺、視覺、聽覺和觸覺等感官來獲取實驗現(xiàn)象，不僅實驗手段新穎，而且實驗結論可靠，既增強了實驗的趣味性，又豐富了中學化學實驗教學資源。

關鍵詞：氣體擴散;?微粒運動;?實驗改進;?實驗探究

文章編號：1005-6629（2020）07-0073-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

實行義務教育以來，初中化學教科書中就編排了借助濃氨水和酚酞溶液探究微粒基本性質(zhì)的“分子運動”實驗[1]（裝置見圖1-A）;隨著化學課程標準的頒布與修改，多個版本的初中化學教科書中依然保留了該實驗[2～6]，只是實驗裝置發(fā)生了變化（見圖1-B），實驗名稱也略有不同，如“探究微粒運動”“氨分子的運動”“分子運動現(xiàn)象”等。

教科書上編排的這個實驗其現(xiàn)象還是很明顯的，但由于實驗裝置處于半封閉狀態(tài)，因而實驗過程中逸出的氨氣在一定程度上對環(huán)境不夠友好。我們依據(jù)氣體分子無規(guī)則運動的特性（運動激烈、擴散明顯）對上述實驗進行改進，并分別借助人的嗅覺、視覺、聽覺和觸覺等感官來獲取實驗現(xiàn)象、探究微粒運動。

1??借助嗅覺，探究微粒的運動

能聞到物質(zhì)本身攜帶的氣味是驗證微粒運動最簡便的方法，但如果總是讓學生聞“花露水”“酒精”“香水”這些司空見慣的物品的氣味，學生的興致并不大。我們自行配制“樟腦的酒精溶液”[7]（一種安全的外用藥液），用其體現(xiàn)分子運動現(xiàn)象，給學生留下了深刻的嗅覺記憶。

1.1??實驗原理

天然樟腦是一種雙環(huán)萜酮，具有較強揮發(fā)性的白色晶體，有特殊香味，一般人聞到不會產(chǎn)生不良反應;酒精是一種易揮發(fā)的液體，少量的酒精通過呼吸道進入體內(nèi)也是沒有危害的。將足量的樟腦溶于酒精所形成的溶液其揮發(fā)性更強，氣味獨特濃厚，很易被覺察。

1.2??實驗用品

燒杯、量筒、玻璃棒、細口瓶、透明噴霧瓶（也可用廢棄的香水瓶）;天然樟腦（網(wǎng)購或從藥店購買）、90%的酒精溶液等

1.3??實驗步驟

（1）?將1～2小塊天然樟腦放入大燒杯中，然后緩緩加入90%的酒精溶液，邊加邊用玻璃棒不斷攪拌，直至樟腦完全溶解。

（2）?將配制好的樟腦的酒精溶液裝入透明噴霧瓶，備用。

（3）?課堂實驗時，可在教室的前后、過道等位置噴出少許溶液，很快全班同學都能聞到明顯的特殊氣味，從而在嗅覺上證明“微粒不斷運動”的特性。

1.4??幾點說明

（1）?該溶液的配制最好由學生自主完成，從而為后續(xù)的溶解操作打下基礎。配好的溶液要密封避光保存。

（2）?關于樟腦的酒精溶液的藥用價值（如活血化瘀、消腫止痛、殺菌防蟲等），教師可以適時告訴學生，從而幫助學生了解實驗試劑，體驗學科價值。

（3）?在配制上述溶液時，如果增加某些溶解度受溫度影響較大的其他溶質(zhì)（如硝酸鉀、氯化銨），所得溶液不僅能用于分子運動實驗，還能用于制作“天氣預報瓶”[8]。

2??借助視覺，探究微粒的運動

視覺觀察是科學實驗中最常用的方法。現(xiàn)行初中化學教科書上設置的微粒運動實驗都是通過觀察酚酞溶液的變色情況而獲得實驗結論的。我們通過裝置優(yōu)化、異類組合等思路[9]，使改進實驗的顏色多變，現(xiàn)象有趣，綠色環(huán)保。

2.1??實驗原理

濃氨水易揮發(fā)，能使酚酞溶液變紅色;濃鹽酸易揮發(fā)，當它與濃氨水接近時則生成氯化銨的固體小顆粒，從而產(chǎn)生白煙。

2.2??實驗用品

500mL的寬口透明塑料瓶（含配套的雙孔膠塞），6mm×200mm，?6mm×205mm的細導管，綠色塑料皮的銅導線、脫脂棉、膠頭滴管、橡皮泥;濃氨水、濃鹽酸、酚酞溶液等

2.3??實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖2。

2.4??實驗步驟

（1）?找一個500mL的透明塑料瓶（可取自礦泉水瓶），再配一個大小合適的雙孔膠塞（孔徑約5mm）;截取管徑約6mm，長度分別為205mm、?200mm的兩根細玻璃導管，備用。

（2）?找一段粗細合適的銅導線（外裹綠色塑料皮），將其纏繞成樹枝狀，并在每一根“樹枝”的頂端扎上一團脫脂棉（貌似白色的花蕾），然后在“白色花蕾”上滴入幾滴酚酞溶液，這樣就做出了一棵含苞待放的綠色小樹（見圖2-A）。

（3）?按圖2-B所示，連好整個實驗裝置。

（4）?借助膠頭滴管，通過左邊的細導管向塑料瓶里滴入約1mL的濃氨水，立即觀察到綠色樹枝上的白色花蕾自下而上逐漸變紅，宛如綠色樹枝上盛開出一朵朵“桃花”。上述實驗現(xiàn)象說明，氨分子因為不斷運動而在塑料瓶里四處擴散，使得滴有酚酞溶液的脫脂棉變紅色。

（5）?待棉球全部變紅后，再通過右邊的細導管向塑料瓶里滴入約1mL的濃鹽酸，很快塑料瓶內(nèi)自下而上出現(xiàn)滾滾白煙，并向四周擴散;緊接著，部分樹枝上的紅花慢慢褪色，其表面還附著一層淡淡的白色粉末，宛如飄蕩的白雪落在桃花上。上述實驗現(xiàn)象說明，氯化氫分子及氨分子因不斷運動而發(fā)生有效碰撞，生成極其細小的氯化銨顆粒。

（6）?實驗結束，整理、清洗實驗用品。

2.5??注意事項

（1）?根據(jù)NH3+HClNH4Cl可知，通常完全吸收4滴濃氨水約需5滴濃鹽酸[10]，因此若使紅花完全褪色，濃鹽酸的量要明顯超過濃氨水的量;若使部分紅花褪色，則濃鹽酸的量要明顯少于濃氨水的量。

（2）?左右兩邊細導管的末端不要處于同一水平線，以防先滴入的濃氨水從右邊細導管里逸出。

2.6??幾點說明

（1）?實驗過程中，兩根細導管的管口可以不封閉，因為在大約180m3的教室里做此實驗時，逸出的氨氣、氯化氫氣體均不會超過0.2mg/m3的安全濃度極值[11];另外，這也有利于分子在塑料瓶里自由運動。

（2）?若要驗證溫度對微粒運動快慢的影響，可以使用兩套相同的裝置進行對比實驗，即一套用于室溫下的實驗，另一套用于較高溫度下的實驗（可將塑料瓶底部浸入熱水中）。

（3）?若將酚酞溶液改為石蕊溶液，那么先滴入濃鹽酸再滴入濃氨水，也會出現(xiàn)色彩多變的系列現(xiàn)象。

3??借助聽覺，探究微粒的運動

可燃性氣體與助燃性氣體接觸后，因為不斷擴散而相互混合，當混合氣遇到明火且又在爆炸極限范圍時就會發(fā)生爆炸。

3.1??實驗原理

在一個充滿空氣的密閉容器里，如果酒精蒸氣的濃度達到其爆炸極限（3.3%～19.0%），遇明火就會發(fā)生爆炸。

3.2??實驗用品

自制的爆炸器、鐵架臺、脫脂棉;酒精或氫氣等

3.3??實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖3。

3.4??實驗步驟

（1）?選用一次性注射器的塑料針筒、廢舊打火機上的壓電陶瓷以及強力膠水等物品，自制“點火爆炸”實驗裝置[12]。

（2）?把點火爆炸裝置固定在鐵架臺上，將浸有適量酒精的一團脫脂棉放在爆炸室的最右端（遠離點火裝置），立即用橡膠塞封閉爆炸室（見圖3）;稍后，按下壓電陶瓷的撞擊柱進行點火，爆炸室內(nèi)沒有發(fā)生爆燃現(xiàn)象，說明酒精蒸氣還沒有充分擴散。

（3）?過1min左右，再次通過壓電陶瓷點火，立即聽到“嘭”的一聲巨響，橡膠塞被炸飛。該現(xiàn)象說明，爆炸室內(nèi)酒精蒸氣的濃度已明顯增加，并達到了爆炸極限，進而證明“酒精分子因為不斷運動而進入空氣中”，同時“氮分子、氧分子等微粒因為不斷運動而進入酒精蒸氣中”。

（4）?借助圖4所示裝置進行爆炸實驗[13]，同樣可以得出微粒不斷運動的結論。

（5）?實驗結束，整理、清洗實驗用品。

3.5??注意事項

（1）?課堂上進行爆炸實驗時不能搞突然“襲擊”，要在點火之前創(chuàng)設寬松氛圍，并提醒學生做好“有驚無險”的心理準備。

（2）?做酒精爆炸實驗時，若氣溫較高（如夏天），在放入酒精棉、封閉爆炸室后30s左右，即可點火;若氣溫較低（如秋冬季節(jié)），在放入酒精棉、封閉爆炸室后，可以通過搓熱的雙手給爆炸室加熱，從而加快酒精分子的無規(guī)則運動。

4??借助觸覺，探究微粒的運動

指腹的觸覺最靈敏，當用手觸摸物體時可以明顯感知其冷熱情況。因此，借助觸覺可以感知“伴隨有能量變化的化學反應發(fā)生的情況”，進而推知構成物質(zhì)的微粒在不斷地運動。

4.1??實驗原理

鐵粉同時接觸氧氣和水就會發(fā)生吸氧腐蝕，并放出熱量;鹽的存在，可以加快鐵的銹蝕。

4.2??實驗用品

125mL集氣瓶、配套的兩面磨砂的玻璃片;暖寶寶發(fā)熱劑（主要成分是活性炭、鐵粉、食鹽水）、氧氣、氮氣（或二氧化碳氣體）等

4.3??實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖5。

4.4??實驗步驟

（1）?取2個125mL的集氣瓶，用排水法分別收集一瓶氮氣、一瓶氧氣，備用。

（2）?拆開一袋暖寶寶，將適量的發(fā)熱劑快速倒入盛有氮氣的集氣瓶中，蓋好玻璃片，然后轉(zhuǎn)動集氣瓶，使發(fā)熱劑均勻附著在瓶的內(nèi)壁上。

（3）?按圖5-A所示，連好實驗裝置，確保裝置不漏氣;然后用手觸摸上面集氣瓶的外壁，無明顯的冷熱感覺（與環(huán)境處于相同的溫度）。

（4）?輕輕抽掉兩個集氣瓶口之間的玻璃片，2～3min后，再次手摸上面集氣瓶的外壁（見圖5-B），感覺明顯發(fā)熱。以上事實說明，上面集氣瓶里的氧氣濃度增大了，同時下面集氣瓶里氮氣濃度增大了，進而證明“氧分子因不斷運動進入氮氣中，氮分子因為不斷運動進入氧氣中”。

（5）?實驗結束，整理、清洗實驗用品。

4.5??幾點說明

（1）?氮氣在本實驗中屬于保護性氣體，若不易獲得，也可以用二氧化碳氣體代替。

（2）?本實驗中的暖寶寶發(fā)熱劑，也可以用浸有食鹽水的超細鐵絲絨代替。

5??結束語

上述幾個創(chuàng)新實驗，涉及的實驗儀器和用品均為常規(guī)常用，實驗的設計新穎別致，實驗的現(xiàn)象與眾不同，實驗的過程直觀有趣。特別是實驗過程中獲取實驗現(xiàn)象手段的多元化（借助嗅覺、視覺、聽覺和觸覺），有助于在感性認識的基礎上形成微粒的運動觀，進而發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)。

總之，上述創(chuàng)新實驗案例，既能用于課堂演示，也能安排為學生的探究實驗或課外科技活動，不失為良好的中學化學實驗素材。

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