江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221002) 周珊珊 張 羿 李德前

現(xiàn)行多個版本的9年級化學(xué)教科書在“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”單元中,均編排了“探究微粒運動”的實驗。教科書上都是借助濃氨水與酚酞溶液的試劑組合進行實驗演示,從定性的角度探究了分子運動現(xiàn)象。客觀地說,該實驗的現(xiàn)象很明顯、直觀,但是濃氨水的揮發(fā)與外逸對環(huán)境造成了一定的污染。

在已有研究的基礎(chǔ)上[1-4],我們借助便攜式氧氣傳感器,設(shè)計了探究微粒運動實驗,實現(xiàn)了化學(xué)實驗綠色化、定量化。

1 實驗用品

氧氣,二氧化碳,熱水;便攜式氧氣傳感器,計時器,300 mL廣口塑料瓶,燒杯等。

2 實驗裝置

新設(shè)計的實驗裝置如圖1所示(夾持儀器略)。

圖1 借助便攜式氧氣傳感器探究微粒運動實驗裝置

3 實驗步驟

為縮小實驗誤差、增強實驗的可信度,每組實驗均重復(fù)3次;為了控制變量,節(jié)約時間,每次實驗都從氧氣體積分數(shù)為96%開始計時,記錄1 min內(nèi)氧氣濃度隨時間的變化,實驗數(shù)據(jù)平均值見表1。

表1 塑料瓶內(nèi)氧氣體積分數(shù)變化

(1)實驗1:充滿氧氣的塑料瓶常溫下敞口正立時氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口正立的塑料瓶中,如圖1(a),記錄氧氣濃度隨時間的變化(實驗數(shù)據(jù)平均值見表1),發(fā)現(xiàn)氧氣濃度緩慢減小。

(2)實驗2:充滿氧氣的塑料瓶加熱條件下敞口正立時氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口正立塑料瓶中,再將塑料瓶放入裝有65 ℃熱水的燒杯中,如圖1(b),記錄氧氣濃度隨時間的變化,發(fā)現(xiàn)氧氣濃度較快減小。

(3)實驗3:充滿氧氣的塑料瓶常溫下敞口倒立時氧氣濃度變化。將便攜式氧氣傳感器的探頭放入充滿氧氣的敞口倒立的塑料瓶中,如圖1(c),記錄氧氣濃度隨時間的變化,發(fā)現(xiàn)氧氣濃度很快減小。

4 實驗結(jié)論

利用Qrigin軟件作圖,將實驗1～3中得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,3組實驗數(shù)據(jù)的對比如圖2所示。分析圖2可以得出如下實驗結(jié)論:

圖2 3種情況下氧氣體積分數(shù)變化的對比

(1)充滿氧氣的塑料瓶敞口正立時,氧氣濃度不斷減小,說明氧分子在不斷向瓶外逸出,進而可知微粒在不斷運動。

(2)充滿氧氣的塑料瓶敞口正立,加熱時氧氣濃度減小的速率明顯快于常溫時氧氣濃度減小的速率,這說明溫度越高微粒運動的速率越快。

(3)充滿氧氣的塑料瓶,敞口倒立時氧氣濃度減小的速率明顯快于敞口正立時氧氣濃度減小的速率,說明密度比空氣大的氣體有強烈的向下運動趨勢。

5 實驗優(yōu)點

(1)本實驗以便攜式氧氣傳感器為基礎(chǔ),輔以常見的實驗用品,所得實驗數(shù)據(jù)不僅可以直觀地說明微粒的運動性,還反映出環(huán)境溫度、氣體密度對微粒運動快慢的影響。

(2)本實驗使用的便攜式氧氣傳感器價格較低,易于推廣;借助氧氣的擴散進行實驗探究,實驗過程對環(huán)境友好。

(3)該創(chuàng)新實驗內(nèi)涵豐富,重視宏微結(jié)合的學(xué)科實踐,讓學(xué)生感受到了化學(xué)的魅力,對學(xué)生學(xué)習化學(xué)的興趣和創(chuàng)新意識具有很強的促進作用[5]。

(4)從學(xué)生已熟悉的氧氣入手,以化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)為導(dǎo)向,注重知識的銜接,有利于學(xué)生直觀、全面地認識微觀粒子運動的基本性質(zhì)和氣體的物理性質(zhì)。

(5)如果將氧氣換成二氧化碳氣體,仍然使用便攜式氧氣傳感器測量敞口正立塑料瓶里氧氣濃度變化(如圖3),不難發(fā)現(xiàn)氧氣傳感器的讀數(shù)會從0開始逐漸增大,并最終達到21%左右,這同樣說明微粒在不斷運動。

圖3 借助便攜式氧氣傳感器探究微粒運動的另一種裝置