探究分子运动现象的实验创新设计

广东省佛山市南海区盐步初级中学(528247) 李青年

广东省佛山市教育局教学研究室(528000) 潘 红

化学是一门以实验为基础的自然科学，实验在中学化学教学中发挥着重要作用，一个趣味性强和现象明显的实验，不仅能提高学生的学习兴趣，还能更好地帮助学生掌握和理解理论知识，提高学生动手和小组合作的能力[1]。探究分子运动现象的实验是对学生“微粒观”“运动观”启蒙的关键实验。如果通过现象明显、对比性强的实验装置来证明分子是不断运动的，就有利于帮助学生直观可视化地理解微观粒子的运动行为，同时也可以培养学生“科学思维”和“科学探究与实践”的化学核心素养。

1 实验背景

人教版义务教育教科书化学九年级上册第3单元课题1“分子和原子”中探究分子运动现象的实验(见图1)：利用浓氨水有挥发性，挥发出的氨分子运动到酚酞溶液中使其变红，从而证明了分子是不断运动的。

图1 教材实验装置

但是教材实验有以下不足：

(1)原实验装置不是密闭的，会对环境造成污染并损害人体健康。

(2)药品用量比较多，不仅浪费，也不符合“绿色化学”的理念。

(3)实验操作较为繁琐，不适合学生分组实验，而用于教师的演示实验，又缺少了对学生实验操作能力的训练和科学探究的情感体验。

(4)实验时间较长、现象不明显，大大降低了课堂教学效率。

(5)实验对比性不够强，不能很好地让学生理解使酚酞变红的是什么物质。

(6)实验功能性单一，不能同时验证温度对分子运动的影响和不同分子运动速率是不同的。

笔者基于以上不足进行创新，在生活中“取材”，利用吸管、棉签、笔筒等自制了一款微型装置，实验效果明显、实用性更强，能为理解分子运动的课堂教学提供新的参考。

2 教具制作

2.1 仪器和试剂

(1)仪器：透明吸管、棉签、透明笔筒(中性笔制)、标签纸、滤纸条、2只小烧杯、热水。

(2)试剂：浓氨水、蒸馏水、酚酞溶液、浓盐酸。

2.2 制作原理

浓氨水具有很强的挥发性，挥发出来的氨分子溶于水形成氨水，氨水电离呈碱性，能使无色酚酞溶液变为红色；浓氨水挥发出来的氨分子与浓盐酸挥发出来的氯化氢分子发生化学反应，生成氯化铵白色固体，形成白烟。

2.3 制作方法

制作思路：将教材实验中的大烧杯改为透明吸管、小烧杯改为棉签(见图2)；用常见中性笔的透明笔筒作为加速分子运动实验的关键装置。

图2 改进装置用到的器材

具体方法：取数支透明吸管，每一支都剪成约5 cm的长度。取其中一支吸管，两端分别贴上“水”和“酚酞”的标签；另取三支吸管，两端分别贴上“酚酞”和“浓氨水”的标签；再取一支吸管，两端分别贴上“浓盐酸”和“浓氨水”的标签。透明笔筒的制作：取两支中性笔，去掉笔芯，拔出上端笔盖和下端笔帽。

3 实验设计

实验1：取一支棉签，在其一端滴加酚酞溶液，置于空气中30 s，棉签不变色，放进透明吸管贴有“酚酞”标签的一端；再取一支棉签，一端滴加蒸馏水后，放进同一支透明吸管贴有“水”标签的一端；使两支棉签接触，观察实验现象。

整个过程未观察到明显现象(见图3)，说明空气和水都不能使酚酞溶液变色。

图3 实验1实验现象

实验2：取一支棉签，在其一端滴加酚酞溶液，放进透明吸管贴有“酚酞”标签的一端；再取一支棉签，滴加浓氨水后，放进同一支透明吸管贴有“浓氨水”标签的一端；使两支棉签接触，观察实验现象。

观察到滴有酚酞溶液的棉签变红色(见图4)，说明浓氨水可以使酚酞溶液变红色。

图4 实验2实验现象

实验3：取一支棉签，在其一端滴加酚酞溶液，放进透明吸管贴有“酚酞”标签的一端；再取一支棉签，滴加浓氨水后，放进同一支透明吸管贴有“浓氨水”标签的一端；使两支棉签不接触，观察实验现象。

观察到滴有酚酞溶液的棉签变红色(见图5)，说明分子是不断运动的。

图5 实验3实验现象

实验4：取一支棉签，在其一端滴加酚酞溶液，晾干后，放进透明吸管贴有“酚酞”标签的一端；再取一支棉签，滴加浓氨水后，放进同一支透明吸管贴有“浓氨水”标签的一端；使两支棉签不接触，观察实验现象。

观察到滴有酚酞的棉签未变色(见图6)，结合实验3中的现象，说明利用浓氨水探究分子不断运动的原理是氨分子运动到酚酞溶液中，与酚酞溶液中的水化合成一水合氨，才使酚酞变红，而不是氨分子直接使酚酞溶液变红。

图6 实验4实验现象

实验5：取一支棉签，滴加浓氨水，再取一支棉签，滴加浓盐酸，分别放进透明吸管贴有“浓氨水”和“浓盐酸”的一端；使两只棉签不接触，观察实验现象。

观察到塑料管内出现白烟，而且白烟比较靠近浓氨水一端(见图7)，说明氨分子和氯化氢分子都在不断运动，同时也说明氯化氢分子的运动速率比氨分子快。

图7 实验5实验现象

实验6：在透明笔筒中塞进滤纸条，滴加等量的酚酞溶液，使滤纸条充分吸收酚酞溶液，备用。向拔下的笔帽中滴加等量的浓氨水，迅速同时盖上笔帽并分别放入装有热水与冷水的小烧杯中，一段时间后，观察实验现象。

观察发现：盛热水的烧杯中，滤纸条变红色的距离长，高度更高(见图8)，说明温度越高，分子运动速率越快。

图8 实验6实验现象

4 装置优点

(1)从生活中“取材”来完成探究实验，实验材料廉价易得且可以重复利用，体现了“绿色化学”的设计理念。此外，还增加了课堂的趣味性，激发了学生联系生活进行创新创造的科学思维。

(2)实验装置简单、操作简便，微型化的自制教具，不仅节约了药品，还减少了氨气和氯化氢气体对环境的污染和对人体健康的伤害。

(3)设计了系列对比实验，很好地培养了学生系统设计、对比分析的思维能力和控制变量的化学实验设计思想。

(4)实验现象更明显且实验时间更短，不仅提高了实验教学的课堂效率，而且更好地帮助学生建立宏微结合的学科思维。

(5)实验材料易得，便于开展分组实验，提高学生的实验操作能力，增强学生的实验体验。

5 创新设计感悟

针对教材实验装置的不足，笔者尝试用“微型化”+“绿色化”+“从生活取材”的化学实验设计思想，结合“生本教育”理念进行创新设计，从而突破微观粒子是不断运动的这一教学难点。

梳理本实验创新教具的研究和开发历程，发现“创新”不是个别人的专利，它源于教师对教学难题的深度思考，有了“教然后知困”的深度思考，每位教师皆可创新。此装置在2021年广东省中学化学优质教学资源征集评审活动中获得了初中化学实验创新优秀作品一等奖，具备推广使用的价值。