巧用吸管与瓶盖自制化学模型

吴冰玉 丁伟

摘要：“模型认知”是化学学科核心素养的重要要素，文章介绍了几种利用塑料制品建立化学模型的方法，这种方法是对专业模型的一种替代，可以在较短的时间内以较低的成本建立，可广泛应用于中学化学教学之中。

关键词：化学模型;塑料制品;自制模型

文章编号：1008-0546（2019）09-0087-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.028

一、问题的提出

模型是用于解释真实物体或事物的试探性结构，在促进概念理解与科学学习方面发挥着重要作用，它是一种利用归纳、抽象的方法进行科学认知的手段与方法。化学模型是连接微观物质与宏观世界的一种重要媒介，根据学习对象的本质特征与重要要素进行化学建模是化学学习中的一种重要手段，《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出“模型认知”是化学学科科学素养的要素之一。模型常见的分类有物质模型与思想模型，思想模型主要反映了在科学学习中的一种思维方式，而物质模型更侧重于形象化的体现。在一些物质结构的教学中，借助物质模型进行教学，是激发学生兴趣、促进模糊概念理解的有效手段。

但较多学校由于经费等原因，并未在课堂中大规模使用物质模型，物质模型的普及度仍然处于一个较低的水平。即使有部分学校购置市场上的物质模型，也仅限于使用简单的球棍模型在有机化学部分进行教学，这种模型类型单一，并且每个球体已经制作好了相应的棍棒插入的位置，学生无法深入思考为什么键与键之间应该有多大的角度，只能对结论进行机械的记忆与重复。在物质结构的晶体教学中，由于条件的限制，很少有教师会借助物质模型进行教学，即使利用现成的晶体模型教学，也无法使学生深入理解粒子之间的位置关系。让学生利用一些常见的材料自己亲手制作模型不仅可以激发学生的化学学习兴趣，还能加深其对物质结构的认识，提高其空间想象力。

二、材料的选择

有研究者提出了一些自制模型的方法，如使用塑料串珠和绒线[1]、硬纸板[2]、泡沫塑料和毛绒条[3]等材料。通过反复尝试和实验比较，发现利用矿泉水瓶盖、吸管等材料（如图1），可以制造结构模型，并且具有较多优点。

（1）色彩丰富。矿泉水瓶盖与吸管颜色多种多样，在实际使用过程中不需要额外进行上色，可直接以不同的色彩代替不同的原子，使用起来较为方便。

（2）价格低廉，便捷易得。无论是吸管还是塑料瓶盖，均不需要额外购买，可以在日常生活中收集积累，洗净晾干使用即可。即使需要一次性使用大量的材料，也可网购获得，制作成本接近于免费，远远低于购买专业的模型。

（3）便于连接。由于所选用的材料均为聚乙烯制品，利用高温可以牢固地连接两个塑料制品。操作简单，安全系数较高。

（4）绿色环保。将废弃物品进行再利用，有利于培养学生的绿色环保观念。

（5）重量很轻。由于所采用的均为塑料制品，质地较轻，且不像泡沫塑料一样易于磨损，可以保存较长的时间，重复多次利用。

三、利用塑料盖制作物质模型

l.连接物的选择

将物质模型中的材料进行连接是自制模型中的一个重要的环节，巧妙的连接方法不仅可以降低制作难度，还可以大大节约建构时间。通常连接瓶盖的方法有打孔、加热、胶水等。作者亲自操作尝试了打孔的方法，在构建较复杂的物质结构模型时，耗时较多，且利用鱼线连接不够稳固。若改用铁丝进行连接更为牢固，但是也存在一些局限，在视觉效果上不如利用透明的鱼线连接美观，在截取与穿孔时较为费力，并且铁丝较为尖锐，在建构过程中存在一定的危险性，学生在建构过程中如若不小心很容易被铁丝刺破手。改用加热的方法，虽然可以有效避免尖锐物品的危险性，但是利用火烧很难控制连接的位置，使制造变得较为困难。同样的，利用胶水也存在连接不牢固的问题，在模型制作完成后，在取放过程中，较为庞大的结构模型很容易散落。

通过多次的尝试与比较，最终选取了20W小号热熔胶枪搭配胶棒作为连接所使用的工具。利用胶枪发热和涂抹胶水准确的特点，将胶嘴靠近需要连接的地方，利用热融化塑料的同时，挤出胶水，使“原子”更好的连接。利用胶枪进行连接，制得的模型美观且牢固，在拿放时即使用力摇晃也不会松散，还可以利用胶嘴的高温对瓶盖直接进行打孔，操作十分简单便利。胶枪可以反复利用，价格便宜，本文所选用的20W小号热熔胶枪网售价仅为12元，不会对学生造成经济负担。

2.甲烷的制作

甲烷是最簡单的烷烃，由一个中心碳原子和四个氢原子构成。由于其结构较为简单，先从甲烷的结构模型构建讲述利用塑料瓶盖的方法与步骤：

（1）选择合适颜色的瓶盖，不同的颜色代表不同的原子。在这里，选用白色瓶盖代表氢原子，红色瓶盖代表碳原子。

（2）取一白色瓶盖，在其圆形边缘处，利用胶枪涂抹热胶，将另一瓶盖与其相对粘结，如图3所示。并将剩余的三个原子同样按此步骤操作。

（3）按照甲烷的结构搭建模型，如图4所示。

3.石墨的制作

石墨属于混合晶体，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连，而层与层之间以范德华力连接。由于石墨晶体仅由碳原子构成，因此选用同一颜色的瓶盖进行构造。具体步骤如下：

（1）在纸上画出一个由6个圆圈组成的正六边形。

（2）选6个同样色彩的瓶盖，将其按照纸上所画的位置，将胶枪的胶嘴对准瓶盖两两接触的部位，挤压出融化的胶棒，将两瓶盖用力对紧进行连接，待胶水凝结后，进行下一个瓶盖的连接，制作出正六边形。如图5所示。

（3）在制作出的正六边形的基础上，继续添加瓶盖进行连接，建构出多个单层石墨晶体结构。

（4）利用胶嘴的高温在一些瓶盖上进行打孔，为构建多层的石墨晶体作准备，如图6。

（5）将木棍插入打好的孔内，进行石墨晶体的构建，图7为制得的石墨晶体模型。

4.碳纳米管的制作

碳纳米管的制作需要的塑料瓶盖较多，制作过程与制作石墨晶体并无较大差异，只是在制作基本的六边形连接图时，需要把六边形进行一定程度上的弯曲。图8即为制得的碳纳米管结构模型。

四、利用吸管制作物质模型

吸管是生活中常见的一种物质，可以利用吸管进行较多有机物结构简式的构建，也可进行一些较为复杂的无机物分子结构的建构。在构建过程中，可以利用吸管的颜色进行元素的区分。在利用吸管进行模型建构时，一旦确定了分子的几何形式，就要注意考慮键长及其等效长度，要利用剪刀将吸管剪成一定的比例长度。

在进行吸管的连接时，综合比较了多种连接方法后，采用了最为便捷的一种，利用吸管作为连接工具，统一选取白色吸管进行一定的修剪后作为连接管，插入其余颜色吸管之中进行吸管间的连接。为了增加连接的稳固性，在被连接的吸管内用胶枪注入胶水后，再将连接管插入，即可实现吸管之间的连接。将在下文中以具体模型的构建为例进行详细讲解。

1.甲烷的制作

甲烷是最简单的烃，由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成，呈四面体构型，且四个键的键长与键角相同，所以选择同样颜色的吸管，剪为相同的长度后进行模型的构建。制作步骤如下：

（1）取黄色吸管，修剪为4个相同的长度，代表碳氢键，取白色修剪后的吸管作为连接物，修剪方法如图9所示。

（2）在黄色吸管的一段利用胶枪注入热胶后，迅速将连接管插入一半，利用相同的方法，将连接管的另一半插入另一支黄色吸管中，由此实现两个吸管之间的连接。如图10、11所示。

（3）按照（2）步骤，搭建剩余部分，制得的甲烷分子如图12。

2.乙烯的制作

乙烯是最简单的烯烃，由两个碳原子和四个氢原子组成，六个原子共面，两个碳原子之间以双键相连。H-C-C角是121.3度;H-C-H角是117.4度，接近120度，构建步骤如下：

（1）查找有机物键长表，为C=C键与C-H键的长度确定标准，选择两种颜色吸管代表C-C键与C-H键，并制作一些连接管。

（2）C=C键的构造。建构方式如图13、14、15，利用两根连接管，分别在两根吸管左右两端进行连接。

（3）按照上述连接方法，搭建剩余部分，制得的乙烯分子结构模型如图所示。

3.P4的制作

白磷（P4）是磷的一种同素异形体。白磷分子是由四个磷原子构成的正四面体，键角为60度，lmol P4有6mol P-P键。但是学生经常会混淆白磷分子的结构，通过自制模型，可以对其立体结构有着更为良好的认知。白磷的制作方法较为简单，连接方法与上述步骤基本相似。制作过程如图17、18。图19、20分别为制得的白磷（P4）的分子结构模型的主视图与俯视图。

4.S8的制作

S8是硫元素的单质，是硫的同素异形体，分子中每个S原子与另外2个S原子形成S-S单键，其中，间隔的4个硫原子共平面。由于其结构的复杂性，它是众多学生难以掌握的一种分子晶体。通过亲手制作S8的结构模型，学生对其结构将有更为深刻的理解与认识。图21为制得的分子结构模型，制作方法与上述步骤并无太大差别。

5.B12的制作

利用吸管和胶枪，可以很便捷地建构B12分子的结构模型，通过建构B12分子模型，学生可以更好地理解其面、棱以及硼原子的数目。由于B12分子由一种原子组成，因此选择相同颜色的吸管，制作步骤如下：

（1）选取蓝色吸管，截取若干根等长度的短吸管;另取若干支白色吸管，将白色吸管沿底面圆形的直径部分一分为二（用于后续连接蓝色吸管）。

（2）取三支等长的截短后的蓝色吸管，依次穿过白色连接管，使白色连接管插入蓝色吸管后，制得一个三角形面（为了使模型更牢固，利用胶枪在连接部位的吸管内注入胶水后再插入白色连接管）。

（3）以第一个三角形的一条边为基础，搭建第二个三角形。重复该步骤直至搭建出如图22所示的一个形状（做两个图22所示的模型组件）。

（4）在（3）的基础上，选取五条棱，分别构建5个三角形，如图23所示。

（5）将图22、23所示的两个组件相连，即制得B12分子的结构模型，图24所示。

五、自制模型在教学中的应用

利用塑料制品进行模型的建构是对课堂上球棍模型的一种补充。通过模型的自制，学生可以更加清楚物质的立体结构。并且由于在自制模型中需要考虑到许多未曾注意到的问题，例如在利用塑料瓶盖进行石墨模型的构建中，需要思考使用多少个瓶盖、如何将瓶盖进行有效的搭建等问题，通过这些问题的思考与解决，学生会对所搭建的物质的结构有着更加深刻的认识与学习。在利用吸管进行有机物模型构建的过程中，通过思考吸管的数目、长度、角度等问题，学生会对有机物的键长、键角等概念有着更加深层次的理解，并且可以注意到更多以往仅仅通过图片学习物质结构时没有注意到的细节。

当物质的结构不再局限于书本上的图片或者教师手中的道具时，学生的学习兴趣便会大大增加，通过自己动手制作模型或团队合作制作模型，学生不仅仅可以更加有效地掌握知识，还可以大大提高化学学习的热情、丰富其空间想象力。模型的建构使抽象的物质结构变得形象具体，从简单易得的塑料制品材料出发，培养学生的模型认知素养。

参考文献

[1]韩晓，王朝晖，基于常见材料建构并应用化学模型[J].化学教学，2016（12）：29-32

[2]刘振琼，廉蠡.C60分子模型的简易制作方法[J].化学教学，2003（2）：12

[3]马薇，孟丽慧，刘立波.巧用泡沫塑料球自制晶体模型[J].化学教育，2016，37（23）：73-77