巧用现代化设备探究分子运动

王文慧

摘要：通过实验证明分子是不断运动的是形成化学微粒观的重要途径。初中化学教材中研究分子运动现象的实验存在不足之处，针对不足进行反思并提出针对性的解决方案。本实验采用数字化传感器设备，不仅能通过数据曲线直观感受构成物质的分子在不断的运动，而且可以探究温度，分子种类等对运动速率的影响。该实验操作简单，环保便捷，实验时间短，并可探究多因素对分子运动的影响，可以显著提高教学效果。

关键词：数字化传感器;分子运动;实验创新

文章编号：1008-0546（2022）02x-0089-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.023

一、问题的提出

分子运动现象是人教版九年级化学教材上册第三单元“物质构成的奥秘”课题一“分子和原子”的内容，是带领学生进入微观世界的重要实验。教材通过浓氨水使酚酞溶液变红这一现象，将宏观的事实微观化解释，不仅能培养学生的观察能力，还能激发学生抽象思维意识，想象氨分子的存在和分子运动的微观本质，把微观知识形象化，有助于学生形成正确的微粒观。

但利用教材中的方法进行实验探究时，会遇到一些问题如：在教室进行演示实验，会有较多刺激性气体逸散，污染教室空气，学生难免恐慌，也影响师生健康;为达到所期效果，往往用量较多，且不可重复利用，造成大量浪费;实验时间长且只有靠前同学观察到变红现象，课堂教学效率比较低等。

针对以上诸多不足，许多化学教师对该实验进行了多种多样的微型化改进和创新，也取得了良好的教学效果[1，2]。但这些大都是基于传统的物质间反应后产生的颜色变化来逐一推导出微粒的运动性。本文则借助现有数字化传感器设备，即时收集数据，自动生成曲线，对实验进行深入的研究、创新[3]。从环保、简单、直观、高效等角度出发，设计出相对封闭的实验体系，简化操作步骤，通过数据直观反应构成物质的微粒运动情况且还能同时探究温度，分子种类等对运动速率的影响，具体实验如下。

二、实验装置

1.仪器与药品

实验仪器：二氧化碳传感器和氧气传感器、数据采集器、计算机、自制容器。

实验药品：市售干冰、医疗用氧。

2.改進后的装置

在自制的玻璃容器中分别插入氧气传感器和二氧化碳传感器，连接数据采集器和计算机，进行数据采集，如图1。

三、实验步骤

1.探究分子运动现象

实验一、在装满CO2的容器中插入氧气传感器，在装满O2的容器中插入二氧化碳传感器，连接传感器、数据采集器和计算机，待数值稳定后，将盛有O2的容器（在上方）迅速与盛有CO2的容器（在下方）连通，如图1右，观察实验数据变化。

实验说明：由于二氧化碳传感器测量的极限值为10%左右，氧气传感器测量的极限值为32%左右，所以采用交互测量的方式。

2.探究影响分子运动速率的因素

实验二、在装满CO2的容器（在下方）中插入氧气传感器，在装满O2的容器（在上方）中插入二氧化碳传感器，连接传感器、数据采集器和计算机，待数值稳定后，将盛有O2的容器（在上方）迅速与盛有CO2的容器（在下方）连通，并将实验装置进行加热，观察实验数据变化。

四、实验现象与分析

1.探究分子运动现象实验一：数据如图2。

现象：实验开始后，两物质曲线上升，说明

对应容器中O2和CO2含量逐渐增高。

分析：构成物质的微观粒子在不停的运动。

2.探究影响分子运动速率的因素

实验二：数据如图3。

现象：实验开始后，两物质浓度曲线上升。对比实验一，氧气在上方，加热时O2和CO2浓度增高到相同数值时比不加热时快。

分析：温度越高，分子运动速率越快。

五、实验反思

1.相同条件下，二氧化碳的密度比氧气的密度大，密度大的气体在上，结果如何？

实验三：连接传感器、数据采集器和计算机，待数值稳定后，将盛有O2的容器（在下方）迅速与盛有CO2的容器（在上方）连通，观察实验数据变化。数据如图4。

现象：气体相对分子质量越大的在上，测得的两气体混合达到同样极限浓度所用时间越短，速率越快。

分析：与实验一对比发现，相对分子质量大的气体在上方时，在重力作用下，分子运动速率明显加快。

2.两气体上下混合时，高度悬殊大，比较分子运动以及速率因素复杂，若尽可能排除重力差，即平放又会怎么样？

实验四：连接传感器、数据采集器和计算机，待数值稳定后，盛有O2的容器迅速与盛有CO2的容器平放连通，观察传感器显示的实验数据，装置如图1左，数据如图5。

现象：平放连通时，相同时间内，氧气浓度变化比二氧化碳浓度变化快（如图5）。

分析：以上四个实验中，在相同时间内都是氧气浓度变化更快，说明相对分子质量越小，分子运动速率越快。

六、实验结论

以上实验可以得出以下结论：

1.分子在不断运动;

2.说明温度越高，分子运动速率越快;

3.分子种类不同，运动速率不同，相对分子质量越小，分子运动速率越快。义务教育阶段的化学教育就是要引导学生学会从在原子、分子水平上认识物质，认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念，培养学生的思维能力和实践能力，提高学生的科学素养[4]。本实验打破传统采用物质反应的现象观察，通过直观的数据来反应构成物质的微粒的运动情况。该实验不仅可以验证构成物质的微观粒子的运动性，还可以探究影响分子运动速率的因素，一举多得，提高资源利用率。实验中利用传感器对物质浓度变化进行动态跟踪，增强结论的说服力，并有助于培养学生的变化观念和平衡思想、宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知核心素养。在实验中用到的干冰与医疗用氧将实验药品生活化，实验装置简单，与教材的实验形成对比，引导学生形成节约、保护环境等观念，落实化学核心素养中科学态度与社会责任的培养。

参考文献

[1]周梦茜.景一丹.分子运动现象的实验装置设计[J].化学教与学，2019（9）：96-98.

[2]郭涛.巧设变式实验装置探究分子运动现象[J].化学教与学，2019（9）：72-74.

[3]高伟.数字化实验在化学概念教学中的应用[J].化学教与学，2021（1）：83-84.

[4]杨剑春等著.基于学科核心素养的教学评价引领[M].南京：南京师范大学出版社，2019.

1763500520312