水乳交融與油水分離

李佩寧

石油是人類(lèi)現(xiàn)代生活的血液，大量的石油存在于海平面之下的地殼中。人類(lèi)對(duì)石油的采集往往會(huì)帶來(lái)副作用，尤其是在人類(lèi)疏忽大意的時(shí)候。例如海上石油泄漏，就是一種對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生毀滅性破壞的事故。

一、課程重點(diǎn)

本課程以一個(gè)生活中出現(xiàn)的簡(jiǎn)單物理模型（油漂浮于水上）為藍(lán)本，深入淺出地從微觀（分子層面）以及宏觀（生態(tài)層面）層面來(lái)闡述這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因、影響以及人類(lèi)可以選擇的干涉對(duì)策，由此培養(yǎng)學(xué)生對(duì)日常生活的關(guān)注，觀察科學(xué)知識(shí)和實(shí)際生活的聯(lián)系。同時(shí)，營(yíng)造學(xué)生可以在動(dòng)手中深入感受和理解的課堂氛圍。

【涉及領(lǐng)域】工程、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)

【建議年級(jí)】小學(xué)中年級(jí)

【建議時(shí)間】125分鐘

二、課程任務(wù)

通過(guò)對(duì)不同物質(zhì)彼此相溶和不相溶現(xiàn)象的探討以及對(duì)實(shí)際情景的描繪，引發(fā)學(xué)生了解現(xiàn)象，學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，并引導(dǎo)和啟迪學(xué)生綜合看待問(wèn)題和解決問(wèn)題的思路。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（15分鐘）

【第一步】簡(jiǎn)述物理和化學(xué)的區(qū)別，詢(xún)問(wèn)學(xué)生對(duì)溶解現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。物理是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科；化學(xué)則是在原子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律的自然科學(xué)。至于溶解，廣義上指超過(guò)兩種以上物質(zhì)混合而成為一個(gè)分子狀態(tài)的均勻相的過(guò)程；狹義上指一種液體對(duì)于固體、液體或氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)使其成為分子狀態(tài)的均勻相的過(guò)程。

【第二步】向?qū)W生進(jìn)一步進(jìn)行知識(shí)預(yù)熱，告知溶解是一種物理現(xiàn)象，但是現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀原因卻和化學(xué)相關(guān)，引起學(xué)生對(duì)交叉學(xué)科的興趣。讓學(xué)生舉例可以溶解于水的物質(zhì)，以及可以溶解于學(xué)生所知道的各種常態(tài)液體的物質(zhì)。

【第三步】向?qū)W生講解理解這部分知識(shí)的重要性，并引入情景：當(dāng)出現(xiàn)石油泄漏事故，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很?chē)?yán)重的破壞。詢(xún)問(wèn)學(xué)生原因，然后揭曉答案：石油是一種粘稠的、深褐色液體，主要成分是各種碳?xì)浠衔铮荒苋芙庥谒校菚?huì)長(zhǎng)時(shí)間地凝聚在一起，由于油比水輕，所以會(huì)漂浮在水面上，擋住下層水下植物所必需的陽(yáng)光，堵塞出水呼吸的魚(yú)類(lèi)的呼吸道以及黏住前來(lái)捕魚(yú)的水鳥(niǎo)的羽毛使其無(wú)法再次飛行，從而造成大量海洋生物的死亡，破壞生態(tài)環(huán)境。

2.宣布任務(wù)一，小組準(zhǔn)備（10分鐘）

【宣布任務(wù)】每組派出學(xué)生和教師一起演示油與水的分層現(xiàn)象在分子層面的表現(xiàn)以及不同溫度下油和水的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得不同的原因。各小組聽(tīng)清預(yù)備知識(shí)，以給定的材料，在教師的指導(dǎo)和提示下進(jìn)行模擬演示，并通過(guò)討論和推理，將結(jié)論告訴大家。預(yù)備知識(shí)如下。

（1）油分子比水分子大，但是比水分子輕。

（2）這兩種分子都會(huì)無(wú)規(guī)律地運(yùn)動(dòng)碰撞。

（3）水分子像微弱的磁鐵一樣，會(huì)偶爾互相吸引，而油分子之間、油分子和水分子之間不會(huì)。

（4）水吸熱較快，油吸熱較慢。吸收熱量后，水分子運(yùn)動(dòng)會(huì)更劇烈，而油分子的運(yùn)動(dòng)不如水分子劇烈。

（5）小組成員都用手抓著各自的水分子嘗試演示，而演示中油分子的數(shù)量要較少（1—2個(gè)）。

【材料】棉花球、報(bào)紙、玻璃球

3.任務(wù)的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。引導(dǎo)學(xué)生聽(tīng)清任務(wù)步驟并考慮相關(guān)問(wèn)題。

（1）教師宣布自己拿著兩個(gè)油分子（以巨大的棉花球表示），而學(xué)生要手持水分子（以玻璃球表示）。

（2）教師提問(wèn)：你認(rèn)為油分子是一個(gè)完全圓鼓鼓的球嗎？油分子是什么樣子的？

（3）教師要求學(xué)生用玻璃球表現(xiàn)水分子彼此吸引，穩(wěn)定在一定位置上進(jìn)行小幅度的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，然后拿起棉花球提問(wèn)：既然水分子會(huì)相互吸引，是水分子的相對(duì)位置更穩(wěn)定還是油分子的更穩(wěn)定？

（4）要求學(xué)生用玻璃球與教師一起演示：當(dāng)油分子試圖融入水分子中時(shí)，水分子會(huì)集體抗拒，形成比較固定的網(wǎng)絡(luò)，并利用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)把油分子托起，擠壓到上面去，不讓它靠近自己的群體。思考：哪些學(xué)生和老師的表演是有問(wèn)題或存在疑問(wèn)的？為什么？

（5）當(dāng)在教師的指導(dǎo)下完成上面這個(gè)過(guò)程后，模擬分層穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)油與水的分層混合進(jìn)行總體加熱，其中油加熱的慢，水加熱的快，越熱的分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，要求學(xué)生用玻璃球配合手拿棉花球的教師一起演示幾個(gè)溫度點(diǎn)（40攝氏度、60攝氏度、80攝氏度、100攝氏度）的水與油的分子運(yùn)動(dòng)。思考：這個(gè)部分，哪些學(xué)生和老師的表演是有問(wèn)題或存在疑問(wèn)的？為什么？

（6）通過(guò)剛才的演示，思考假如在下面的水已經(jīng)沸騰的狀態(tài)下，油分子是否還能被繼續(xù)加熱，此時(shí)水分子是否能夠透過(guò)油層。據(jù)此思考剛才同學(xué)們的演示是否正確。

（7）思考假如在實(shí)際情況中，有千千萬(wàn)萬(wàn)的水分子和成比例的油分子，它們會(huì)如何運(yùn)動(dòng)。預(yù)想并試著描述最后產(chǎn)生的結(jié)果在肉眼觀察下的情形。

4.任務(wù)一的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，教師組織討論以下問(wèn)題：

（1）你們組是怎么討論得出結(jié)果的？是通過(guò)實(shí)際操作，還是通過(guò)設(shè)想和推理排除？

（2）在你們的結(jié)論中，油與油、水與水，誰(shuí)的“同物質(zhì)親和力”最強(qiáng)？假如我們?cè)谝粋€(gè)平面上滴一滴油和一滴水，哪個(gè)有可能會(huì)顯得更圓？哪個(gè)有可能會(huì)顯得更扁？

（3）小組在討論中出現(xiàn)了幾種不同的意見(jiàn)，最后你們是如何統(tǒng)一的？

（4）對(duì)于沒(méi)有采納的意見(jiàn)和看法，你們?yōu)槭裁礇](méi)有采納？

之后，讓學(xué)生自己動(dòng)手（在材料器具有限的情況下，可以考慮該步驟由兩個(gè)小組合并共同完成）制造肥皂水，并要求學(xué)生觀察記錄對(duì)比肥皂水和油滴在水面上后發(fā)生的情形。試著觀察水和油彼此之間的狀態(tài)是否符合之前的預(yù)期，是否有分層現(xiàn)象。要求學(xué)生思考如下問(wèn)題：

（1）有什么因素會(huì)影響水對(duì)雙方的溶解？

（2）需要控制哪些條件來(lái)保證觀察的準(zhǔn)確以及結(jié)論的準(zhǔn)確？即如何保證觀察到的現(xiàn)象僅僅是因?yàn)樗芙獾奈镔|(zhì)不同而產(chǎn)生的差異。

（3）你們的預(yù)測(cè)是什么？

（4）有哪些數(shù)據(jù)是你們認(rèn)為需要記錄的？

在討論之后，讓學(xué)生著手進(jìn)行觀察。觀察后，進(jìn)一步討論如果將肥皂水和油混合，是否會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，最終雙方是否會(huì)相互溶解。

5.宣布任務(wù)二和評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】讓學(xué)生用給出的材料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)回答最初提出的“如何清理油污”的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出他們認(rèn)為最佳的材料和方式，并說(shuō)明過(guò)程以及得出相應(yīng)結(jié)論的原因。宣布任務(wù)后提供材料，并展示評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表1），小組準(zhǔn)備。

【材料】咖啡濾紙、棉花球、鋼絲球、肥皂、報(bào)紙、紙巾、植物油、水、紙杯、小水盆、紗線(xiàn)、坐標(biāo)紙

宣布任務(wù)和評(píng)價(jià)量規(guī)后，教師要繼續(xù)詢(xún)問(wèn)學(xué)生以下問(wèn)題：

（1）這次課程使用的材料較多，每種材料應(yīng)當(dāng)如何運(yùn)用？是否所有的材料都有用？

（2）通過(guò)日常生活的接觸，你們預(yù)測(cè)哪種材料吸收油脂的效果最好？為什么？

（3）如何通過(guò)圖表展示你們的預(yù)測(cè)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)記錄？在實(shí)驗(yàn)前是否能夠設(shè)計(jì)基本格式？

詢(xún)問(wèn)后，給少量時(shí)間讓小組各自進(jìn)行溝通準(zhǔn)備。每個(gè)人都要寫(xiě)下自己的想法，包括自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后小組具體討論使用哪種設(shè)計(jì)，以及畫(huà)出基本的圖和表格框架。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)。要求學(xué)生依照評(píng)價(jià)量規(guī)，應(yīng)當(dāng)考慮以下內(nèi)容：

（1）以哪種方法處理石油泄漏的問(wèn)題，這些材料能夠起到什么功效？

（2）我們需要的是吸油性最強(qiáng)的材料還是吸油性較強(qiáng)而吸水性差的材料？哪種比較合適？

（3）通過(guò)你們?cè)O(shè)計(jì)的處理方法，泄漏的油有沒(méi)有可能被再利用？

（4）你們小組以什么作為處理油污性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)？如何取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

（5）你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)執(zhí)行的時(shí)候應(yīng)該注意什么？

（6）考慮石油泄漏時(shí)大范圍的面積，你覺(jué)得你的計(jì)劃是否真實(shí)可行？為什么？

（7）小組是怎樣分工的？

7.任務(wù)二的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，教師組織討論以下問(wèn)題：

（1）在剛才的實(shí)驗(yàn)中哪個(gè)道具是可以使泄漏的油回收再利用的關(guān)鍵？為什么？（鋼絲球，因?yàn)殇摻z球表面積大、造價(jià)低、吸油性強(qiáng)且吸水性差、磨損小。）

（2）發(fā)揮想象，你覺(jué)得還有什么辦法可以幫助控制已經(jīng)發(fā)生的石油泄漏？有什么辦法可以繼續(xù)循環(huán)利用這些石油？（可布置作業(yè)讓學(xué)生進(jìn)一步調(diào)查支持自己觀點(diǎn)的證據(jù)）

（3）如果發(fā)生大面積的石油泄漏，通過(guò)今天的實(shí)驗(yàn)，你要利用哪些材料來(lái)控制石油泄漏并回收利用泄漏的油？如何進(jìn)行具體操作？這些操作會(huì)遇到什么困難？會(huì)導(dǎo)致哪些意外？

（4）石油是一種粘稠的混合物，和我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫氖秤糜秃推筒煌氖?，其中最粘稠的部分?huì)慢慢沉降到水面下。你覺(jué)得這種作用和哪些因素有關(guān)？例如溫度、洋流、生物活動(dòng)、海洋鹽分濃度等。（這部分是開(kāi)放性問(wèn)題，只要學(xué)生能進(jìn)行有邏輯和根據(jù)的猜想即可。）

【拓展思考】能直接點(diǎn)火燒嗎？為什么？

（責(zé)任編輯 張慧籽）