“探究微粒运动”实验的新设计

“探究微粒运动”实验的新设计

作者：孟彦李德前

来源：《化学教学》2020年第07期

摘要：依據气体扩散原理，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]（一种安全的外用药液），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、脱脂棉;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]。