微粒運動實驗的新設計

朱建華

日常生活中的許多現象都可以說明微粒在不停地運動，例如人教版《九年級化學》教材中，有探究微粒運動的實驗[1]，該實驗生動有趣、具有一定的可行性，但該實驗設計方案也有一些缺陷(所需試劑量大、污染嚴重等)，針對上述缺點，筆者利用替換試劑法和改進儀器的方法，根據液體的揮發性和氣體的擴散性等，巧妙選用濃鹽酸和濃氨水、自制的酒精測試紙(或警用唾液酒精檢測條)、自制玻璃管、量筒、二氧化碳和澄清石灰水5種實驗方案探究微粒運動實驗，旨在加強九年級化學實驗教學[2]。新設計的實驗方案優點明顯，能為初中化學探究實驗提供良好的范例。

一、選用濃鹽酸和濃氨水探究微粒的運動性

1.實驗原理

濃氨水易揮發，揮發出來的氨分子能使酚酞試液變紅；濃鹽酸也具有揮發性，揮發出來的氯化氫分子與氨分子反應產生大量的白煙，該反應可用于消除污染。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖1所示。

圖1 選用濃鹽酸和濃氨水探究微粒的運動性實驗

主要實驗材料：1只250 mL的集氣瓶、雙孔橡皮塞、2根玻璃導管(4 cm×15 cm)，1根長為10 cm的乳膠管、注射器、2根纏繞在玻璃導管上的紗布條(浸有酚酞試液，并用細線固定在玻璃導管上)、滴管、濃氨水、濃鹽酸、酚酞試液。

3.實驗過程

(1)檢查裝置的氣密性：按圖1裝置連接儀器(先不放藥品)，用打孔器鉆出的橡皮塞柱封住導管a處，連接乳膠管的一端與b處，乳膠管的另一端與注射器口連接，緩緩拉注射器，若乳膠管變癟，則裝置氣密性良好。

(2)將a處的橡皮塞柱和b處的乳膠管拔出，用膠頭滴管向a 處滴幾滴濃氨水，a導管上纏繞的紗布條由下往上逐漸變紅，緊接著b處導管上的紗布條也由下往上逐漸變紅，由此說明氨分子在不斷的運動。

(3)待兩根紗布條完全變紅后，再從b導管口處滴幾滴濃鹽酸，發現集氣瓶中從下往上出現濃白煙，同時兩根變紅的紗布條自下而上逐漸褪色，由此說明氯化氫分子在不斷地運動，氯化氫與氨氣反應生成了氯化銨。

(4)實驗結束后，裝置無須清洗，只需要把瓶中殘余液體倒出即可(既讓儀器保持清潔，又不影響下一組實驗)。

4.實驗說明

(1)整個實驗綠色環保，操作簡便，可以重復使用，大大提高了實驗的效率。

(2)實驗現象十分明顯，生動有趣，大大激發了學生的求知欲。

二、選用自制的酒精測試紙(或警用唾液酒精檢測條)探究微粒的運動性

1.實驗原理

酒精容易揮發，揮發出來的酒精蒸汽遇到自制酒精測試紙(或警用唾液酒精檢測條)就會由黃色逐漸變成淺綠色(或橙色變為綠色，且酒精蒸氣越多，變色越深)，有關的化學方程式為：

3C2H5OH+2CrO3+3H2SO4=3CH3CHO+Cr2(SO4)3+6H2O

3C2H5OH+8H2SO4+2K2Cr2O7=3CH3COOH+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+11H2O

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖2所示。

圖2 選用酒精測試紙(或警用唾液酒精檢測條)探究微粒的運動性實驗

主要實驗材料：大試管(20 mm×200 mm)、單孔橡皮塞、玻璃管、自制酒精測試紙(或直接從網上購買警用唾液酒精檢測條)、量筒、玻璃棒；無水酒精、三氧化鉻、稀硫酸。

3.實驗過程

(1)用量筒量取5 mL 1:5的稀硫酸，向其中加入約2 g三氧化鉻，用玻璃棒攪拌均勻，把濾紙浸入其中，取出濾紙并晾干后即得黃色的自制酒精試紙(警用唾液酒精檢測條可以直接從網上購買)。

(2)取1支20 mm×200 mm的大試管，向其中倒入約半試管的無水酒精，另取1只單孔橡皮塞，將1根短玻璃管插入橡皮塞中，用細線將一張濕潤的自制酒精測試紙(或警用唾液酒精檢測條)固定在橡皮塞上。

(3)把橡皮塞塞在試管口，稍等片刻，自制酒精測試紙由黃色逐漸變為淺綠色，如果選用警用唾液酒精檢測條，檢測條由橙色逐漸變為綠色。

(4)如果對試管稍稍加熱，試紙變色更快，則說明溫度越高，分子運動速率越快。

4.實驗說明

(1)該實驗能說明微粒的運動性。

(2)本實驗藥品使用量很少，操作簡便，綠色環保，實驗原理更有利于學生了解化學知識在執法領域的運用。

三、借助自制玻璃管(兩端開口)探究微粒的運動性

1.實驗原理

濃氨水極易揮發，揮發出來的氨分子在自制玻璃管中遇到浸有酚酞試液的白紙條，白紙條從下往上逐漸變紅。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖3所示。

圖3 借助自制玻璃管探究微粒的運動性實驗

主要實驗材料：自制玻璃管(長1.2 m、直徑2.5 cm)、酒精燈帽、白紙條、刻度尺、滴管、棉花、粗鐵絲、濃氨水、酚酞試液。

3.實驗操作

(1)取1張115 cm×3.5 cm的白紙條，在白紙條的一側用刻度尺均勻標下1～8的數字，再將白紙條縱向對折(使中間形成凹陷)，將白紙條水平放入玻璃管中。

(2)用滴管在白紙條左側(數字小的一處)凹槽中滴5滴酚酞試液，將玻璃管左側稍稍抬起，讓酚酞試液沿著紙槽流至玻璃管最右端。

主成分分析后得到的綜合指標相比于原始指標來說，解釋意義相對模糊。為了更好的利用綜合指標進行功能區識別，可以基于綜合指標對原始指標的載荷情況賦予其相應的意義，以寧波市主城區為例，第一主成分對商業信息、生活服務信息的載荷量較高，第二主成分對科教信息載荷量較高，第五主成分對工業信息載荷較高，因此分別將這些主成分作為識別商業區、文教區、工業區的綜合指標。將綜合指標通過可視化處理進行表達，街區顏色越深代表街區內該綜合指標的值越高，該綜合指標載荷的相應POI點的數量越高，越能反應相應功能區的特性，然后通過各個指標值的空間分布特征分析不同典型功能區的空間布局（表 2）。

(3)取1個酒精燈帽，向燈帽中注入約3 mL濃氨水，把玻璃管直立起來(數字小的一端在下方)，立即用酒精燈帽套在玻璃管的下端。

(4)稍等片刻，白紙條從下往上逐漸變紅(到達數字“4”處需要2 min)，再把燈帽浸入熱水中，白紙條迅速向上變紅(數字從“4”到“8”需要50 s)，在變色到數字“8”時，移走熱水。

(5)玻璃管最上方(數字“8”以上的位置)的白紙條仍然呈白色，說明氨氣沒有逸出管外。

(6)上述實驗說明氨分子不停地運動，且溫度越高，分子運動速率越快。

4.實驗說明

(1)實驗滲透了量化意識，使得實驗更加直觀、生動，實驗結果更具說服力。

(2)本實驗既可作教師演示實驗，又可做學生分組實驗，能很好地培養學生動手能力和創新精神，具有很強的實用性，值得推廣。

四、借助量筒探究微粒的運動性

1.實驗原理

氨分子分別使得浸有酚酞試液的濾紙從下向上和從上向下逐漸變紅。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖4、圖5所示。

圖4 濾紙從下向上逐漸變紅

圖5 濾紙從上向下逐漸變紅

主要實驗材料：25 mL的量筒、膠頭滴管、棉花團、橡皮塞、濾紙、膠水、玻璃導管、濃氨水、無色酚酞試液。

3.實驗過程

(1)取2個相同規格(大小與量筒口徑相配)的橡皮塞，在一個橡皮塞中間打孔，并插入玻璃導管，在另一橡皮塞小的一端打一個深為0.5 cm的小孔，并塞入一個小棉花團。

(2)取2張大小一樣的濾紙條，用膠水固定濾紙的一端，確保濾紙條放進量筒后能貼在量筒的內壁，濾紙長度為距離橡皮塞和量筒底部約1 cm(如圖4、圖5所示)。

(3)取出2根濾紙條，用酚酞試液(量不需多，確保酚酞試液不會滴落)潤濕，分別把濾紙條放進量筒內并貼在量筒的內壁上，同時向玻璃管口和棉花團上滴加3滴濃氨水，并立即塞緊帶玻璃管和帶棉花團的橡皮塞。

(4)圖4和圖5中的濾紙條幾乎同時從下往上和從上往下逐漸變紅，且圖4中濾紙變紅的速度更快(氨氣密度比空氣小)。

4.實驗說明

(1)量筒可以自立，便于學生觀察。

(2)實驗所需試劑很少，裝置處于密閉環境中，無污染，體現了綠色環保理念。

(3)裝置空間小，耗時短，現象十分明顯，兩只量筒同時進行實驗，便于進行對比。

(4)圖4可以通過從玻璃導管中滴加稀硫酸來消除氨味，圖5可以直接對棉花團滴加稀硫酸來消除氨味，確保氨氣沒有逸出。

五、選用二氧化碳和澄清石灰水來探究微粒的運動性

1.實驗原理

若空氣中二氧化碳的濃度達到1%，就能使澄清石灰水變渾濁[3]，有關化學方程式為：

Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖6、圖7所示。

圖6 用澄清石灰水和二氧化碳氣體探究微粒的運動性實驗

圖7 用澄清石灰水和CO2氣體探究微粒的運動性實驗

主要實驗材料：大燒杯(500 mL)、集氣瓶(250 mL)、注射器、二氧化碳、澄清石灰水。

3.實驗操作

(1)取一個250 mL的集氣瓶，用向上排空氣法收集滿一瓶二氧化碳氣體，并蓋好毛玻璃片。

(2)把集氣瓶放入一個500 mL的大燒杯中，取下毛玻璃片，2 min后，再取出燒杯中的集氣瓶。

(3)向大燒杯中倒入一些澄清石灰水，微微振蕩燒杯，澄清石灰水很快就變渾濁，說明二氧化碳氣體已經從瓶中逸出，說明二氧化碳分子在不斷運動。

(4)或者根據圖7裝置，用注射器抽取約5 mL的澄清石灰水，并抽取集氣瓶口外稍下方的空氣10 mL，振蕩注射器，注射器中石灰水立即變渾濁，說明二氧化碳分子已經運動到瓶外。

(5)清理實驗用品。

4.實驗說明

(1)該實驗選易制的二氧化碳進行實驗，可激發學生的學習興趣。

(2)能促進學生復習和鞏固有關二氧化碳的知識。

六、結語

僅此實驗，筆者就設計出多種新的實驗方案，新設計的實驗方案不但方法新穎，而且實驗現象也更加明顯，大大激發了學生學習化學的興趣，由此可見，中學化學實驗創新的空間很廣闊，化學實驗的改進與創新沒有最好、只有更好。只要博采眾長，并學以致用，那么，中學化學實驗創新的前景定會更加美好。