證明分子做無規(guī)則運動的創(chuàng)新性實驗

◎重慶市育才中學(xué)校初2022級（4）班 王藝筱

本期點評專家

朱朝義中學(xué)正高級教師, 中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會常務(wù)理事, 湖南省優(yōu)秀科技工作者, 《發(fā)明與創(chuàng)新》專家團專家。

一、問題的提出

在老師上完內(nèi)能的相關(guān)知識后, 我對分子的擴散現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。

教材中的擴散現(xiàn)象是將無色的空氣和紅棕色的二氧化氮用隔板隔開, 當(dāng)抽開隔板后, 能看到二者互相混合, 顏色都變成淺紅棕色, 由此說明空氣和二氧化氮氣體間發(fā)生了擴散現(xiàn)象。而老師也講到, 擴散現(xiàn)象不僅存在于同種物態(tài)之間, 也存在于氣體和液體、氣體和固體等不同物態(tài)之間。

因此, 我想通過實驗驗證分子熱運動。

二、準備器材, 制訂計劃

我準備了足量的氨水、酚酞溶液、酒精, 一個大燒杯, 兩個小燒杯, 三支塑料滴管, 一個口罩, 如圖1所示。

圖1 實驗器材

我的實驗計劃是：在兩個小燒杯中分別滴入氨水和酚酞溶液, 再用大燒杯蓋住兩個小燒杯, 起到一定的密封效果, 且保證兩個燒杯間沒有接觸, 觀察實驗現(xiàn)象。同時注意, 氨水易揮發(fā)出氨氣, 氨氣屬于刺激性氣體, 故實驗時我佩戴了口罩, 并打開窗戶通風(fēng)。

三、進行實驗, 觀察現(xiàn)象

（一）如圖2, 往一個小燒杯里滴入氨水, 氨水無明顯變化, 生成了有刺激性氣味的氣體。

圖2 滴入氨水

（二）將氨水用大燒杯蓋住, 減少氨水揮發(fā)出的氣體對大燒杯外酚酞溶液的影響, 如圖3。

圖3 隔離裝氨水的小燒杯

（三）如圖4, 向另一個燒杯中滴入無色酚酞溶液。

圖4 滴入酚酞溶液

（四）如圖5, 將裝有無色酚酞溶液的小燒杯與裝有氨水的小燒杯同時用大燒杯罩住, 使大燒杯內(nèi)的空間形成密閉環(huán)境。

圖5 形成密閉環(huán)境

（五）2分鐘后, 可觀察到酚酞溶液有些變紅。繼續(xù)等待, 2個小時后可觀察到酚酞溶液完全變紅, 如圖6所示。

圖6 2小時后的實驗現(xiàn)象

四、分析與論證

酚酞是一種有機化合物, 分子式為C20H14O4, 其溶液特性是在酸性和中性溶液中為無色, 在堿性溶液中為紫紅色。氨水中存在化學(xué)平衡, 一部分以氨分子的形式存在, 另一部分氨分子與水反應(yīng)生成銨離子和氫氧根離子, 故呈弱堿性。

氨水易揮發(fā)出氨氣。在實驗中, 氨水與酚酞溶液兩種液體并無接觸, 但氨分子從氨水中揮發(fā)出來后, 溶于酚酞溶液中, 與水反應(yīng)生成銨離子和氫氧根離子, 整個溶液呈弱堿性, 故無色的酚酞溶液變紅。

結(jié)論：該實驗中雖然兩種液體被隔離, 但依舊出現(xiàn)了擴散現(xiàn)象, 說明它們之間經(jīng)歷了從液體到氣體的物態(tài)變化過程。通過觀察和分析得知, 擴散現(xiàn)象可以發(fā)生在液體和氣體兩種物態(tài)之間。該實驗?zāi)茉俅窝a充說明一切物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)律的運動。

五、實驗評估

（一）在第一次實驗中, 將無色酚酞溶液滴入大燒杯時并沒有出現(xiàn)明顯變紅的現(xiàn)象, 只在杯壁上出現(xiàn)了一點變色現(xiàn)象, 如圖7。經(jīng)過分析, 我認為是氨水的量不夠多, 于是重新添加了氨水, 再次放入后就有了明顯的變化, 如圖8。

圖8 改進后的實驗現(xiàn)象明顯

（二）氨水容易揮發(fā), 在第一次實驗中, 我先倒氨水, 這可能是實驗現(xiàn)象不夠明顯的原因。

（三）通過查閱資料得知, 能使酚酞變紅的溶液的pH值范圍為8.2～10.0, 而堿性溶液的pH值大于7, 因此在重復(fù)該實驗時, 若溶液的pH值不在8.2～10.0范圍內(nèi)便不能使酚酞變紅, 實驗中氨水的pH值應(yīng)經(jīng)過檢測后再使用。

（指導(dǎo)老師：楊莉 李鴻）

[本文為重慶市教育學(xué)會第十屆（2021—2023年）基礎(chǔ)教育科研立項重點課題“基于STEAM理念的科創(chuàng)社團開發(fā)和實踐研究”（XH2021A206）階段性研究成果。]

專家點評

作者學(xué)習(xí)了氣體擴散現(xiàn)象后, 對相關(guān)知識產(chǎn)生了濃厚的興趣。更難能可貴的是, 在學(xué)習(xí)了“擴散現(xiàn)象不僅存在于氣體和氣體之間, 也存在于氣體和液體、氣體和固體等不同物態(tài)之間”這一科學(xué)知識后, 作者自主設(shè)計實驗方案并進行實驗驗證, 體現(xiàn)了較好的科學(xué)素養(yǎng)。

建議：文章中的一些表述應(yīng)更嚴謹, “實驗中氨水的pH值應(yīng)經(jīng)過檢測后再使用”等結(jié)論可進一步設(shè)計拓展實驗來驗證。此外, 因氨氣屬于刺激性有毒氣體, 建議將實驗過程設(shè)計得更安全些。