微粒运动实验的新设计
2019-11-16朱建华
朱建华
日常生活中的许多现象都可以说明微粒在不停地运动，例如人教版《九年级化学》教材中，有探究微粒运动的实验[1]，该实验生动有趣、具有一定的可行性，但该实验设计方案也有一些缺陷(所需试剂量大、污染严重等)，针对上述缺点，笔者利用替换试剂法和改进仪器的方法，根据液体的挥发性和气体的扩散性等，巧妙选用浓盐酸和浓氨水、自制的酒精测试纸(或警用唾液酒精检测条)、自制玻璃管、量筒、二氧化碳和澄清石灰水5种实验方案探究微粒运动实验，旨在加强九年级化学实验教学[2]。新设计的实验方案优点明显，能为初中化学探究实验提供良好的范例。
一、选用浓盐酸和浓氨水探究微粒的运动性
1.实验原理
浓氨水易挥发，挥发出来的氨分子能使酚酞试液变红；浓盐酸也具有挥发性，挥发出来的氯化氢分子与氨分子反应产生大量的白烟，该反应可用于消除污染。
2.实验装置
新设计的实验装置如图1所示。
图1 选用浓盐酸和浓氨水探究微粒的运动性实验
主要实验材料：1只250 mL的集气瓶、双孔橡皮塞、2根玻璃导管(4 cm×15 cm)，1根长为10 cm的乳胶管、注射器、2根缠绕在玻璃导管上的纱布条(浸有酚酞试液，并用细线固定在玻璃导管上)、滴管、浓氨水、浓盐酸、酚酞试液。
3.实验过程
(1)检查装置的气密性：按图1装置连接仪器(先不放药品)，用打孔器钻出的橡皮塞柱封住导管a处，连接乳胶管的一端与b处，乳胶管的另一端与注射器口连接，缓缓拉注射器，若乳胶管变瘪，则装置气密性良好。
(2)将a处的橡皮塞柱和b处的乳胶管拔出，用胶头滴管向a 处滴几滴浓氨水，a导管上缠绕的纱布条由下往上逐渐变红，紧接着b处导管上的纱布条也由下往上逐渐变红，由此说明氨分子在不断的运动。
(3)待两根纱布条完全变红后，再从b导管口处滴几滴浓盐酸，发现集气瓶中从下往上出现浓白烟，同时两根变红的纱布条自下而上逐渐褪色，由此说明氯化氢分子在不断地运动，氯化氢与氨气反应生成了氯化铵。
(4)实验结束后，装置无须清洗，只需要把瓶中残余液体倒出即可(既让仪器保持清洁，又不影响下一组实验)。
4.实验说明
(1)整个实验绿色环保，操作简便，可以重复使用，大大提高了实验的效率。
(2)实验现象十分明显，生动有趣，大大激发了学生的求知欲。
二、选用自制的酒精测试纸(或警用唾液酒精检测条)探究微粒的运动性
1.实验原理
酒精容易挥发，挥发出来的酒精蒸汽遇到自制酒精测试纸(或警用唾液酒精检测条)就会由黄色逐渐变成浅绿色(或橙色变为绿色，且酒精蒸气越多，变色越深)，有关的化学方程式为：
3C2H5OH+2CrO3+3H2SO4=3CH3CHO+Cr2(SO4)3+6H2O
3C2H5OH+8H2SO4+2K2Cr2O7=3CH3COOH+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+11H2O
2.实验装置
新设计的实验装置如图2所示。
图2 选用酒精测试纸(或警用唾液酒精检测条)探究微粒的运动性实验
主要实验材料：大试管(20 mm×200 mm)、单孔橡皮塞、玻璃管、自制酒精测试纸(或直接从网上购买警用唾液酒精检测条)、量筒、玻璃棒；无水酒精、三氧化铬、稀硫酸。
3.实验过程
(1)用量筒量取5 mL 1:5的稀硫酸，向其中加入约2 g三氧化铬，用玻璃棒搅拌均匀，把滤纸浸入其中，取出滤纸并晾干后即得黄色的自制酒精试纸(警用唾液酒精检测条可以直接从网上购买)。
(2)取1支20 mm×200 mm的大试管，向其中倒入约半试管的无水酒精，另取1只单孔橡皮塞，将1根短玻璃管插入橡皮塞中，用细线将一张湿润的自制酒精测试纸(或警用唾液酒精检测条)固定在橡皮塞上。
(3)把橡皮塞塞在试管口，稍等片刻，自制酒精测试纸由黄色逐渐变为浅绿色，如果选用警用唾液酒精检测条，检测条由橙色逐渐变为绿色。
(4)如果对试管稍稍加热，试纸变色更快，则说明温度越高，分子运动速率越快。
4.实验说明
(1)该实验能说明微粒的运动性。
(2)本实验药品使用量很少，操作简便，绿色环保，实验原理更有利于学生了解化学知识在执法领域的运用。
三、借助自制玻璃管(两端开口)探究微粒的运动性
1.实验原理
浓氨水极易挥发，挥发出来的氨分子在自制玻璃管中遇到浸有酚酞试液的白纸条，白纸条从下往上逐渐变红。
2.实验装置
新设计的实验装置如图3所示。
图3 借助自制玻璃管探究微粒的运动性实验
主要实验材料：自制玻璃管(长1.2 m、直径2.5 cm)、酒精灯帽、白纸条、刻度尺、滴管、棉花、粗铁丝、浓氨水、酚酞试液。
3.实验操作
(1)取1张115 cm×3.5 cm的白纸条，在白纸条的一侧用刻度尺均匀标下1～8的数字，再将白纸条纵向对折(使中间形成凹陷)，将白纸条水平放入玻璃管中。
(2)用滴管在白纸条左侧(数字小的一处)凹槽中滴5滴酚酞试液，将玻璃管左侧稍稍抬起，让酚酞试液沿着纸槽流至玻璃管最右端。
主成分分析后得到的综合指标相比于原始指标来说，解释意义相对模糊。为了更好的利用综合指标进行功能区识别，可以基于综合指标对原始指标的载荷情况赋予其相应的意义，以宁波市主城区为例，第一主成分对商业信息、生活服务信息的载荷量较高，第二主成分对科教信息载荷量较高，第五主成分对工业信息载荷较高，因此分别将这些主成分作为识别商业区、文教区、工业区的综合指标。将综合指标通过可视化处理进行表达，街区颜色越深代表街区内该综合指标的值越高，该综合指标载荷的相应POI点的数量越高，越能反应相应功能区的特性，然后通过各个指标值的空间分布特征分析不同典型功能区的空间布局（表 2）。
(3)取1个酒精灯帽，向灯帽中注入约3 mL浓氨水，把玻璃管直立起来(数字小的一端在下方)，立即用酒精灯帽套在玻璃管的下端。
(4)稍等片刻，白纸条从下往上逐渐变红(到达数字“4”处需要2 min)，再把灯帽浸入热水中，白纸条迅速向上变红(数字从“4”到“8”需要50 s)，在变色到数字“8”时，移走热水。
(5)玻璃管最上方(数字“8”以上的位置)的白纸条仍然呈白色，说明氨气没有逸出管外。
(6)上述实验说明氨分子不停地运动，且温度越高，分子运动速率越快。
4.实验说明
(1)实验渗透了量化意识，使得实验更加直观、生动，实验结果更具说服力。
(2)本实验既可作教师演示实验，又可做学生分组实验，能很好地培养学生动手能力和创新精神，具有很强的实用性，值得推广。
四、借助量筒探究微粒的运动性
1.实验原理
氨分子分别使得浸有酚酞试液的滤纸从下向上和从上向下逐渐变红。
2.实验装置
新设计的实验装置如图4、图5所示。
图4 滤纸从下向上逐渐变红
图5 滤纸从上向下逐渐变红
主要实验材料：25 mL的量筒、胶头滴管、棉花团、橡皮塞、滤纸、胶水、玻璃导管、浓氨水、无色酚酞试液。
3.实验过程
(1)取2个相同规格(大小与量筒口径相配)的橡皮塞，在一个橡皮塞中间打孔，并插入玻璃导管，在另一橡皮塞小的一端打一个深为0.5 cm的小孔，并塞入一个小棉花团。
(2)取2张大小一样的滤纸条，用胶水固定滤纸的一端，确保滤纸条放进量筒后能贴在量筒的内壁，滤纸长度为距离橡皮塞和量筒底部约1 cm(如图4、图5所示)。
(3)取出2根滤纸条，用酚酞试液(量不需多，确保酚酞试液不会滴落)润湿，分别把滤纸条放进量筒内并贴在量筒的内壁上，同时向玻璃管口和棉花团上滴加3滴浓氨水，并立即塞紧带玻璃管和带棉花团的橡皮塞。
(4)图4和图5中的滤纸条几乎同时从下往上和从上往下逐渐变红，且图4中滤纸变红的速度更快(氨气密度比空气小)。
4.实验说明
(1)量筒可以自立，便于学生观察。
(2)实验所需试剂很少，装置处于密闭环境中，无污染，体现了绿色环保理念。
(3)装置空间小，耗时短，现象十分明显，两只量筒同时进行实验，便于进行对比。
(4)图4可以通过从玻璃导管中滴加稀硫酸来消除氨味，图5可以直接对棉花团滴加稀硫酸来消除氨味，确保氨气没有逸出。
五、选用二氧化碳和澄清石灰水来探究微粒的运动性
1.实验原理
若空气中二氧化碳的浓度达到1%，就能使澄清石灰水变浑浊[3]，有关化学方程式为：
Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O。
2.实验装置
新设计的实验装置如图6、图7所示。
图6 用澄清石灰水和二氧化碳气体探究微粒的运动性实验
图7 用澄清石灰水和CO2气体探究微粒的运动性实验
主要实验材料：大烧杯(500 mL)、集气瓶(250 mL)、注射器、二氧化碳、澄清石灰水。
3.实验操作
(1)取一个250 mL的集气瓶，用向上排空气法收集满一瓶二氧化碳气体，并盖好毛玻璃片。
(2)把集气瓶放入一个500 mL的大烧杯中，取下毛玻璃片，2 min后，再取出烧杯中的集气瓶。
(3)向大烧杯中倒入一些澄清石灰水，微微振荡烧杯，澄清石灰水很快就变浑浊，说明二氧化碳气体已经从瓶中逸出，说明二氧化碳分子在不断运动。
(4)或者根据图7装置，用注射器抽取约5 mL的澄清石灰水，并抽取集气瓶口外稍下方的空气10 mL，振荡注射器，注射器中石灰水立即变浑浊，说明二氧化碳分子已经运动到瓶外。
(5)清理实验用品。
4.实验说明
(1)该实验选易制的二氧化碳进行实验，可激发学生的学习兴趣。
(2)能促进学生复习和巩固有关二氧化碳的知识。
六、结语
仅此实验，笔者就设计出多种新的实验方案，新设计的实验方案不但方法新颖，而且实验现象也更加明显，大大激发了学生学习化学的兴趣，由此可见，中学化学实验创新的空间很广阔，化学实验的改进与创新没有最好、只有更好。只要博采众长，并学以致用，那么，中学化学实验创新的前景定会更加美好。
