“探究微粒运动”实验的新设计

孟彦　李德前

摘要：依据气体扩散原理，对“探究微粒运动”实验进行改进和优化。新设计的实验分别借助人的嗅觉、视觉、听觉和触觉等感官来获取实验现象，不仅实验手段新颖，而且实验结论可靠，既增强了实验的趣味性，又丰富了中学化学实验教学资源。

关键词：气体扩散; 微粒运动; 实验改进; 实验探究

文章编号：1005-6629（2020）07-0073-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

实行义务教育以来，初中化学教科书中就编排了借助浓氨水和酚酞溶液探究微粒基本性质的“分子运动”实验[1]（装置见图1-A）;随着化学课程标准的颁布与修改，多个版本的初中化学教科书中依然保留了该实验[2～6]，只是实验装置发生了变化（见图1-B），实验名称也略有不同，如“探究微粒运动”“氨分子的运动”“分子运动现象”等。

教科书上编排的这个实验其现象还是很明显的，但由于实验装置处于半封闭状态，因而实验过程中逸出的氨气在一定程度上对环境不够友好。我们依据气体分子无规则运动的特性（运动激烈、扩散明显）对上述实验进行改进，并分别借助人的嗅觉、视觉、听觉和触觉等感官来获取实验现象、探究微粒运动。

1  借助嗅觉，探究微粒的运动

能闻到物质本身携带的气味是验证微粒运动最简便的方法，但如果总是让学生闻“花露水”“酒精”“香水”这些司空见惯的物品的气味，学生的兴致并不大。我们自行配制“樟脑的酒精溶液”[7]（一种安全的外用藥液），用其体现分子运动现象，给学生留下了深刻的嗅觉记忆。

1.1  实验原理

天然樟脑是一种双环萜酮，具有较强挥发性的白色晶体，有特殊香味，一般人闻到不会产生不良反应;酒精是一种易挥发的液体，少量的酒精通过呼吸道进入体内也是没有危害的。将足量的樟脑溶于酒精所形成的溶液其挥发性更强，气味独特浓厚，很易被觉察。

1.2  实验用品

烧杯、量筒、玻璃棒、细口瓶、透明喷雾瓶（也可用废弃的香水瓶）;天然樟脑（网购或从药店购买）、90%的酒精溶液等

1.3  实验步骤

（1） 将1～2小块天然樟脑放入大烧杯中，然后缓缓加入90%的酒精溶液，边加边用玻璃棒不断搅拌，直至樟脑完全溶解。

（2） 将配制好的樟脑的酒精溶液装入透明喷雾瓶，备用。

（3） 课堂实验时，可在教室的前后、过道等位置喷出少许溶液，很快全班同学都能闻到明显的特殊气味，从而在嗅觉上证明“微粒不断运动”的特性。

1.4  几点说明

（1） 该溶液的配制最好由学生自主完成，从而为后续的溶解操作打下基础。配好的溶液要密封避光保存。

（2） 关于樟脑的酒精溶液的药用价值（如活血化瘀、消肿止痛、杀菌防虫等），教师可以适时告诉学生，从而帮助学生了解实验试剂，体验学科价值。

（3） 在配制上述溶液时，如果增加某些溶解度受温度影响较大的其他溶质（如硝酸钾、氯化铵），所得溶液不仅能用于分子运动实验，还能用于制作“天气预报瓶”[8]。

2  借助视觉，探究微粒的运动

视觉观察是科学实验中最常用的方法。现行初中化学教科书上设置的微粒运动实验都是通过观察酚酞溶液的变色情况而获得实验结论的。我们通过装置优化、异类组合等思路[9]，使改进实验的颜色多变，现象有趣，绿色环保。

2.1  实验原理

浓氨水易挥发，能使酚酞溶液变红色;浓盐酸易挥发，当它与浓氨水接近时则生成氯化铵的固体小颗粒，从而产生白烟。

2.2  实验用品

500mL的宽口透明塑料瓶（含配套的双孔胶塞），6mm×200mm， 6mm×205mm的细导管，绿色塑料皮的铜导线、脱脂棉、胶头滴管、橡皮泥;浓氨水、浓盐酸、酚酞溶液等

2.3  实验装置

新设计的实验装置见图2。

2.4  实验步骤

（1） 找一个500mL的透明塑料瓶（可取自矿泉水瓶），再配一个大小合适的双孔胶塞（孔径约5mm）;截取管径约6mm，长度分别为205mm、 200mm的两根细玻璃导管，备用。

（2） 找一段粗细合适的铜导线（外裹绿色塑料皮），将其缠绕成树枝状，并在每一根“树枝”的顶端扎上一团脱脂棉（貌似白色的花蕾），然后在“白色花蕾”上滴入几滴酚酞溶液，这样就做出了一棵含苞待放的绿色小树（见图2-A）。

（3） 按图2-B所示，连好整个实验装置。

（4） 借助胶头滴管，通过左边的细导管向塑料瓶里滴入约1mL的浓氨水，立即观察到绿色树枝上的白色花蕾自下而上逐渐变红，宛如绿色树枝上盛开出一朵朵“桃花”。上述实验现象说明，氨分子因为不断运动而在塑料瓶里四处扩散，使得滴有酚酞溶液的脱脂棉变红色。

（5） 待棉球全部变红后，再通过右边的细导管向塑料瓶里滴入约1mL的浓盐酸，很快塑料瓶内自下而上出现滚滚白烟，并向四周扩散;紧接着，部分树枝上的红花慢慢褪色，其表面还附着一层淡淡的白色粉末，宛如飘荡的白雪落在桃花上。上述实验现象说明，氯化氢分子及氨分子因不断运动而发生有效碰撞，生成极其细小的氯化铵颗粒。

（6） 实验结束，整理、清洗实验用品。

2.5  注意事项

（1） 根据NH3+HClNH4Cl可知，通常完全吸收4滴浓氨水约需5滴浓盐酸[10]，因此若使红花完全褪色，浓盐酸的量要明显超过浓氨水的量;若使部分红花褪色，则浓盐酸的量要明显少于浓氨水的量。

（2） 左右两边细导管的末端不要处于同一水平线，以防先滴入的浓氨水从右边细导管里逸出。

2.6  几点说明

（1） 实验过程中，两根细导管的管口可以不封闭，因为在大约180m3的教室里做此实验时，逸出的氨气、氯化氢气体均不会超过0.2mg/m3的安全浓度极值[11];另外，这也有利于分子在塑料瓶里自由运动。

（2） 若要验证温度对微粒运动快慢的影响，可以使用两套相同的装置进行对比实验，即一套用于室温下的实验，另一套用于较高温度下的实验（可将塑料瓶底部浸入热水中）。

（3） 若将酚酞溶液改为石蕊溶液，那么先滴入浓盐酸再滴入浓氨水，也会出现色彩多变的系列现象。

3  借助听觉，探究微粒的运动

可燃性气体与助燃性气体接触后，因为不断扩散而相互混合，当混合气遇到明火且又在爆炸极限范围时就会发生爆炸。

3.1  实验原理

在一个充满空气的密闭容器里，如果酒精蒸气的浓度达到其爆炸极限（3.3%～19.0%），遇明火就会发生爆炸。

3.2  实验用品

自制的爆炸器、铁架台、脫脂棉;酒精或氢气等

3.3  实验装置

新设计的实验装置见图3。

3.4  实验步骤

（1） 选用一次性注射器的塑料针筒、废旧打火机上的压电陶瓷以及强力胶水等物品，自制“点火爆炸”实验装置[12]。

（2） 把点火爆炸装置固定在铁架台上，将浸有适量酒精的一团脱脂棉放在爆炸室的最右端（远离点火装置），立即用橡胶塞封闭爆炸室（见图3）;稍后，按下压电陶瓷的撞击柱进行点火，爆炸室内没有发生爆燃现象，说明酒精蒸气还没有充分扩散。

（3） 过1min左右，再次通过压电陶瓷点火，立即听到“嘭”的一声巨响，橡胶塞被炸飞。该现象说明，爆炸室内酒精蒸气的浓度已明显增加，并达到了爆炸极限，进而证明“酒精分子因为不断运动而进入空气中”，同时“氮分子、氧分子等微粒因为不断运动而进入酒精蒸气中”。

（4） 借助图4所示装置进行爆炸实验[13]，同样可以得出微粒不断运动的结论。

（5） 实验结束，整理、清洗实验用品。

3.5  注意事项

（1） 课堂上进行爆炸实验时不能搞突然“袭击”，要在点火之前创设宽松氛围，并提醒学生做好“有惊无险”的心理准备。

（2） 做酒精爆炸实验时，若气温较高（如夏天），在放入酒精棉、封闭爆炸室后30s左右，即可点火;若气温较低（如秋冬季节），在放入酒精棉、封闭爆炸室后，可以通过搓热的双手给爆炸室加热，从而加快酒精分子的无规则运动。

4  借助触觉，探究微粒的运动

指腹的触觉最灵敏，当用手触摸物体时可以明显感知其冷热情况。因此，借助触觉可以感知“伴随有能量变化的化学反应发生的情况”，进而推知构成物质的微粒在不断地运动。

4.1  实验原理

铁粉同时接触氧气和水就会发生吸氧腐蚀，并放出热量;盐的存在，可以加快铁的锈蚀。

4.2  实验用品

125mL集气瓶、配套的两面磨砂的玻璃片;暖宝宝发热剂（主要成分是活性炭、铁粉、食盐水）、氧气、氮气（或二氧化碳气体）等

4.3  实验装置

新设计的实验装置见图5。

4.4  实验步骤

（1） 取2个125mL的集气瓶，用排水法分别收集一瓶氮气、一瓶氧气，备用。

（2） 拆开一袋暖宝宝，将适量的发热剂快速倒入盛有氮气的集气瓶中，盖好玻璃片，然后转动集气瓶，使发热剂均匀附着在瓶的内壁上。

（3） 按图5-A所示，连好实验装置，确保装置不漏气;然后用手触摸上面集气瓶的外壁，无明显的冷热感觉（与环境处于相同的温度）。

（4） 轻轻抽掉两个集气瓶口之间的玻璃片，2～3min后，再次手摸上面集气瓶的外壁（见图5-B），感觉明显发热。以上事实说明，上面集气瓶里的氧气浓度增大了，同时下面集气瓶里氮气浓度增大了，进而证明“氧分子因不断运动进入氮气中，氮分子因为不断运动进入氧气中”。

（5） 实验结束，整理、清洗实验用品。

4.5  几点说明

（1） 氮气在本实验中属于保护性气体，若不易获得，也可以用二氧化碳气体代替。

（2） 本实验中的暖宝宝发热剂，也可以用浸有食盐水的超细铁丝绒代替。

5  结束语

上述几个创新实验，涉及的实验仪器和用品均为常规常用，实验的设计新颖别致，实验的现象与众不同，实验的过程直观有趣。特别是实验过程中获取实验现象手段的多元化（借助嗅觉、视觉、听觉和触觉），有助于在感性认识的基础上形成微粒的运动观，进而发展“宏观辨识与微观探析”的核心素养。

总之，上述创新实验案例，既能用于课堂演示，也能安排为学生的探究实验或课外科技活动，不失为良好的中学化学实验素材。

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室. 九年义务教育三年制初级中学教科书·化学（全一册）[M]. 北京：人民教育出版社， 1995：203.

[2]中学化学国家课程标准研制组. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 上海：上海教育出版社， 2006：60.

[3]课程教材研究所， 化学课程教材研究开发中心. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：人民教育出版社， 2006：50～51.

[4]中学化学国家课程标准研制组. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 上海：上海教育出版社， 2015：63.

[5]课程教材研究所， 化学课程教材研究开发中心. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京：人民教育出版社， 2012：49.

[6]毕华林， 卢巍. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上冊）[M]. 济南：山东教育出版社， 2012：56.

[7]时炳炎. 樟脑酒精配制方法的改进[J]. 中国中药杂志， 1992， （10）：610.

[8]曹厚勇， 管美惠， 李亚烜等. 风暴瓶预测天气准确性的研究[J]. 安庆师范大学学报（自然科学版）， 2017， （2）：85～87.

[9]李德前. 例谈初中化学实验创新的思维方法[J]. 化学教学， 2013， （3）：65～68.

[10]马逸群. 探究微粒运动实验的综合设计[J]. 教学仪器与实验， 2013， （8）：20～21.

[11]国家质量监督检验检疫总局，卫生部，国家环境保护总局.GB/T18883-2002， 室内空气质量标准[S]. 北京：中国标准出版社， 2002.

[12]彭春艳， 张羿， 李德前. “点火爆炸”实验的新设计[J]. 中小学实验与装备， 2019， （5）：45～46.

[13]朱红杰， 李德前， 张羿. 借助氢气爆鸣  探究微粒运动[J]. 实验教学与仪器， 2019， （10）：33～34.