分子运动现象创新实验

福建省厦门集美中学(361021) 陈娜洁 饶慧伶

化学家傅鹰曾提到:“化学是实验的科学,只有实验才是最高法庭。”[1],明确了实验在化学学习中的重要地位,是形成物质和化学变化的基本观念、发展质疑和批评的思维能力、创新意识以及安全意识和环保习惯的重要推手[2]。探究分子运动现象的实验是对学生“微粒观”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地理解微观粒子的运动行为,从而体会从实验现象中获取证据,基于证据分析得出分子在不断运动的结论。

1 实验背景

如图1为人教版义务教育教科书化学9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装置:实验中浓氨水和酚酞溶液没有直接接触但可变红,说明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[3-4]。

图1 教材实验装置

但教材实验仍存在以下不足:

(1)实验装置不密闭,造成环境污染并损害人体健康。

(2)药品用量较多,不符合“绿色化学”的理念。

(3)实验装置只能在讲台上演示,不利于全体学生观察实验现象,不符合“以学生为主体”的原则。

笔者基于以上不足探索创新,在生活中“取材”,利用密封透明食品瓶、矿泉水瓶盖等自制了一款微型装置,经检验实验效果明显、实用性更强。依托该改进实验的化学课堂教学可以发挥以下功能:

(1)通过探究什么物质使酚酞变红,体验科学探究的过程,增强提出猜想,基于证据作出分析并解决问题的能力。

(2)通过观察氨分子在同一高度上不定向运动的现象,引导学生在科学探究与实践中发展科学探究、自主学习及问题解决的能力[2]。

2 教具制作

2.1 仪器和试剂

(1)仪器:密封透明食品瓶、矿泉水瓶盖、滤纸条、胶头滴管、镊子。

(2)试剂:浓氨水、蒸溜水、酚酞溶液。

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,氨水呈碱性,能使无色酚酞溶液变为红色。

2.3 制作方法

制作思路:用密封透明食品瓶替代教材实验中的大烧杯,用滤纸条、矿泉水瓶盖分别替代小烧杯A、B(如图2)。

图2 分子运动现象创新实验装置

具体方法:取数张滤纸,每张都剪成约6 cm×3 cm大小。取滤纸用酚酞浸湿后贴在食品瓶内侧,矿泉水瓶盖用来盛放浓氨水。

3 实验设计

实验1:取1张滤纸,用酚酞溶液浸湿, 贴在食品瓶内侧,用滴管往矿泉水瓶盖中滴加约1 mL浓氨水,用镊子夹持瓶盖放入食品瓶底部,迅速用盖子密封食品瓶,观察实验现象。

观察到浸有酚酞溶液的滤纸自上而下变红,变化过程如图3。在实验中,浸有酚酞溶液的滤纸与浓氨水没有直接接触,但能变红,说明分子是不断运动的。滤纸自上而下变红,靠近浓氨水的滤纸下端是最后变红,说明了氨分子的密度小于空气,先往上运动。

图3 滤纸变红过程

实验2:探究什么物质使酚酞变红

依托该改进实验装置开展如下实验:

(1)取1张滤纸,用酚酞溶液浸湿,烘干后,置于空气中。

(2)取1张滤纸,用酚酞溶液浸湿,烘干后,喷水置于空气中。

(3)取1张滤纸,用酚酞溶液浸湿,烘干后,用镊子夹持放入底部有浓氨水瓶盖的食品瓶中。

(4)将步骤(3)中的滤纸取出喷水后,用镊子夹持放入底部有浓氨水瓶盖的食品瓶中。

(5)用镊子取出步骤(4)中变红的滤纸放置在空气中约2 min,再用镊子夹持上述滤纸重新放入底部放有浓氨水瓶盖的食品瓶中,观察实验现象。

观察到步骤(1)中滤纸放置于空气中,滤纸没有变红(如图4),说明空气中的成分不能使酚酞变红,实验2中喷水后滤纸也没变红(如图5),说明水也不能使酚酞变红。

图4 步骤(1)实验现象

图5 步骤(2)实验现象

步骤(3)中酚酞溶液浸湿的滤纸烘干后,用镊子夹持放入底部放有浓氨水瓶盖的食品瓶中(说明:本实验用的酚酞溶液是实验室标准酚酞溶液与水按7:1稀释的)。观察到干滤纸较长时间未变色(如图6),说明仅有浓氨水挥发出来的氨气不能使酚酞变红。步骤(4)将滤纸取出喷水后,再放入食品瓶中,喷水后的滤纸变红(如图7)。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,与酚酞溶液中的水共同作用使酚酞变红,而不是氨气直接使酚酞溶液变红。步骤(5)中变红的滤纸置于空气中褪色(如图8),说明溶于湿润滤纸中的氨分子运动到空气中去,再次体现了分子在不断运动的特性,将褪色后滤纸重新放入底部放有浓氨水瓶盖的食品瓶中,滤纸立刻变红(如图9),再次说明酚酞变红是氨气和水共同作用的结果。

图6 步骤(3)现象

图7 步骤(4)现象

图9 步骤(5)滤纸重新变红现象

实验3:取3张滤纸,用酚酞溶液浸湿, 贴在食品瓶不同位置,另取1张滤纸用浓氨水浸湿,贴在食品瓶内侧,使它的位置与之前的滤纸形成隔位、间位、对位的关系,迅速用盖子密封食品瓶,观察实验现象。

观察到浸有酚酞溶液的滤纸变红且不同位置的滤纸变红情况没有大的差异,变化过程如图10所示,说明氨分子同一高度上不定向运动。

图10 不同位置滤纸变红过程

实验4:取1张滤纸,用不同浓度的酚酞溶液(用实验室标准酚酞溶液与水按不同比例配制)浸湿, 贴在食品瓶内侧,用滴管往矿泉水瓶盖滴加约1 mL浓氨水,用镊子夹持瓶盖放入食品瓶底部,迅速用盖子密封食品瓶,观察实验现象(如图11～12所示)。

图11 较稀浓度酚酞溶液浸泡滤纸变红情况

图12 较浓浓度酚酞溶液浸泡滤纸变红情况

观察到较稀酚酞溶液浸润的滤纸变红是呈点状分布,较浓酚酞溶液浸润的滤纸变红是呈连续分布。

出现以上现象的可能原因为:不同浓度的酚酞溶液浸润的滤纸上酚酞分子分布的密集程度不同。浓的酚酞溶液浸润的滤纸上酚酞分子比较密集,变红后连成一片,所以滤纸变红是呈连续分布。稀的酚酞溶液浸润的滤纸上酚酞分子比较稀疏,变红后连不成一片,所以滤纸变红是呈点状分布。

4 装置优点

(1)本探究实验的用品,依托生活中常见的材料。实验材料价廉易得且可重复利用,体现了 “绿色化学”的设计理念,学生从中了解化学与日常生活的密切关系,逐步养成环保习惯[4]。

(2)实验装置不用组装,操作十分简便,药品用量少,装置全程密闭,减少氨气对环境的污染。

(3)装置可移动便于展示,增强了全班学生的参与感,有条件可分组实验。

(4)通过设计的系列对比实验,渗透控制变量的思想,使学生在实验中形成质疑能力,且能基于实验事实进行证据推理,并养成从宏观、微观相结合的视角探究物质变化规律的认识方式。

(5)通过该实验体验发现问题,解决问题的真实探究过程,知道化学实验是获取、收集证据并以此分析解释得出结论的过程,引导学生在实验中发现、创造与应用,发挥出化学教学启智增慧的育人价值。

5 创新设计感悟

从发现教材实验装置的不足到挖掘此实验新的实验教学功能,笔者尝试用“从生活取材”的化学实验设计思想,结合“控制变量”理念进行创新设计,直观展示微观粒子是不断运动的实验现象。因为证据推理是重要的科学思维过程和方法,初中阶段教师应重视引导学生养成从实验中获取证据的意识,为学生进一步形成“证据推理和模型认知”素养打下坚实的基础[5]。本实验改进后可分组实验,方便学生更好体验基于实验事实进行证据推理的过程。此装置在2022年厦门市中小学实验教学比赛中获得了初中化学组二等奖,具备推广使用的价值。