乙酸分子直径测定的实验设计

纪玉婷　张继禄

摘要： 乙酸分子直径测定的实验中，利用朗格茂（Langmuir）吸附理论的单分子层吸附模型，将测定分子的直径转为与吸附量相关联。在实验过程中，使用传感器和TI计算器等新技术，试图让学生学会使用科学模型和简单的实验方法，间接测定未知物理量。通过实验让学生经历和体会建立模型的过程，培养学生模型认知的学科素养。

关键词： 乙酸; 分子直径测定; 模型认知; 传感器; 实验设计

文章编号： 10056629（2020）01006304

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

2018年1月颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》关于课程方案明确指出“普通髙中的培养目标是进一步提升学生综合素质，着力发展核心素养”。化学核心素养中包括“模型认知”，其中要求学生建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。为了让学生体会理论模型建构的过程，教学设计需要按照建立模型的过程，让学生运用相关理论和模型进行实验测定，处理实验数据进而得出结论，引

导学生反思模型的条件和适用范围。

在中学教学中，测定分子直径的方法一般是油膜法，属于物理学科的拓展实验，用于测定难溶于水的有机物的分子直径。而使用光谱仪是目前测定分子直径比较精确的方法，但由于仪器价格昂贵，难以在课堂教学中使用。本实验利用吸附理论的单分子层吸附的模型将测定分子的直径转化为测定溶液的浓度。在实验过程中，使用传感器使实验结果更加精确，利用TI计算器进行数据处理和分析，试图让学生学会使用科学模型和已知的实验方法，间接测定未知物理量。通过解决具体问题，提高学生的核心素养。

1模型认知

1.1模型的概念界定

在科学和数学中模型起着重要作用，模型的含义是人为设计的，以简化的方式反映和再现具体对象或现象的基本特征、关系和功能，因此它可以作为检验和分析现实的工具[1]。化学学科中的模型主要有以下几类： 球棍模型、晶胞结构模型属于实物模型;化学方程式和公式属于数学模型;电子云示意图属于图像模型;元素周期律、盖斯定律属于语义模型[2]。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中的“模型认知”，要求学生可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型。所以“模型认知”可以理解为要求学生“认知”化学学科中的“模型”。

1.2模型認知的素养水平

综合《普通高中化学课程标准（2017年版）》中的素养水平，参照布卢姆教育目标分类学（修订版）对认知维度的划分，将“模型认知”素养水平划分为4个层次[3]。

值得注意的是，在培养学生较高水平的素养（水平4，见表1），也就是建构模型能力的时候，需要学生参

与模型建立和使用的整个过程。为了让学生更加关注运用和建立模型的过程而非模型本身，选择了学生较为陌生的“测定乙酸分子直径”的实验。本实验不但增加了中学化学定量实验的内容，还符合建立和使用模型的主要过程。

2“乙酸分子直径测定”的实验设计

以“乙酸分子直径测定”实验为例，探讨培养“模型认知”素养的实验教学设计。据水平4的要求，教学需要包括以下几个部分： 分析要素（在复杂问题情境中）、构建模型、对比模型、讨论范围和局限性。根据建立模型的过程来设计教学过程： 第一，高中阶段直接测定分子的直径是比较困难的，属于较复杂的化学问题;第二，建立吸附理论中的概念;第三，建立单分子层吸附模型;第四，根据模型将测定分子的直径转化为测定溶液的浓度;第五，对比两种测定方法中的模型，讨论它们的适用范围和局限性。

2.1回顾已有模型

在中学教学中，油膜法测分子直径是上海科技出版社高一《物理》教材中的一个探究实验，利用单层分子形成的油膜估测分子大小。在教学过程中，要求学生建立“单分子层”的物理模型（见图1），不考虑油分子之间的间隙，将分子视为球形，所以油分子层厚度就是直径[4]。在实验中，用胶头滴管量取油酸体积，利用毫米方格纸和痱子粉测定油膜面积，从而计算得到分子直径。

2.2建立新模型

2.1.1吸附理论

本实验根据物理化学实验“溶液吸附法测定固体比表面积”的原理和模型进行改进[5]。朗格缪尔（Langmuir）吸附理论认为： 吸附是单分子层吸附，即吸附剂一旦被吸附质占据之后，就不能再吸附，吸附和解吸附形成平衡。同时假定吸附作用是均匀的，吸附分子之间无相互作用。本实验使用活性炭吸附乙酸，要求学生建立单分子层吸附平衡的模型（见图2）。

设Γ∞为饱和吸附量，即表面被吸附质铺满单分子层时的吸附量（见图3）。

由实验测得Γ∞数值并查得吸附剂的比表面S0，每个乙酸分子所占面积可按下式计算得到，从而计算得到分子直径，公式如下。

S（CH3COOH）=S0Γ∞×6.02×1023

D=4S（CH3COOH）π

2.2.2利用Γ求得Γ∞

由于实验中无法达到饱和吸附，所以本实验测得四个不同浓度乙酸溶液中活性炭的吸附量Γ，利用作图求得Γ∞。

在平衡浓度为c时的吸附量Γ可用下式表示：

Γ=Γ∞Kc1+Kc，将上式重新整理可得下一形式cΓ=cΓ∞+1Γ∞K

作cΓc的图，得一直线，由这一直线的斜率可求得Γ∞。

2.2.3利用测定物质的量浓度求Γ

对于比表面很大的多孔性或高度分散的吸附剂，如活性炭和硅胶等，在溶液中有较强的吸附能力。Γ通常指每克吸附剂上吸附溶质的摩尔数： Γ=Xm=（c0-c）Vm

式中X为吸附溶质的物质的量;m为吸附剂的质量;c0为吸附前溶液的物质的量浓度，c为吸附后溶液的物质的量浓度，V为溶液的总体积，假定吸附前后溶液体积不变。实验利用测定吸附前后溶液的物质的量浓度计算得Γ。

2.3学生实验

（1） 将学生分为4组，取4个已洗净的带塞锥形瓶，用电子天平称取活性炭，向每瓶中分别加入1克左右活性炭，然后再加入100mL 4种不同浓度的乙酸溶液。

（2） 将各锥形瓶用磨口塞塞好，用磁力搅拌仪搅拌，恒温30℃（装置见图4）。

（3） 在搅拌30min期间，用NaOH标准溶液滴定4种乙酸溶液吸附前的起始浓度。

（4） 搅拌30min后，用漏斗将溶液过滤到另一干燥锥形瓶中，再用NaOH溶液滴定（装置见图5）。

组成的滴定装置

（5） 记录数据。

2.4数据处理

由于数据处理过程较为复杂，学生使用TI计算器作为辅助工具。作cΓc的图，得一直线，见图6，直线斜率m=95.28

上海科技出版社的物理教材中写到，分子直径的数量级是10-10m，实验误差较小。

2.5误差分析和适用条件

（1） 根据单分子层吸附模型的基本假定，固体表面对液体的吸附是单分子层的。如果实验是明显的多层吸附，可能导致测定的分子直径偏小。

（2） 假定被吸附的分子之间无相互作用，也就是被吸附在表面上的分子是互相独立的。然而分子结构复杂，分子之间有作用力。为了更符合吸附模型，实验中不能使用高浓度的乙酸溶液。

3基于“模型認知”教学设计的要点

（1） 问题描述。建立模型的第一步是对问题作出明确的说明，比如确定研究目的、问题范围和所需准确度[6]。在上述实验设计的过程中，笔者将问题简化为测定“单分子层”模型中的分子直径，并以此选择测定对象和实验方法。在建立模型的过程中，要让学生学会经常修改或者以更精确的方式来重新表述问题。

（2） 在选择和设计模型时，首先必须考虑模型是否合适以及模型的成本。合适是指要建模的对象在定性和定量描述上都必须准确，以符合模型的预期目标;其次，比较两个同样合适的模型时，需要较少假设和资源的模型会更好。本实验测定方法和仪器都较为简单，是高中生了解单分子层吸附模型、测定分子直径的一种简便方法。

（3） 明确模型条件和适用范围。一部分科学模型在现实中是可以实现的，一部分不可以，这不能作为评价一个科学模型的标准[7]。一个科学模型是否能在现实中实现，这取决于它的抽象程度和理想程度。所以在教学过程中必须让学生明确模型使用条件和适用范围。无论是油膜法还是吸附法测定分子直径，没有建立模型时的假设，实验结果也将不可信。

参考文献：

[1][6]Philip Gerlee， Torbjrn Lundh. Scientific Models [M]. SpringerVerlag Berlin Heidelberg， 1997： 1， 5～7.

[2]陆军. 化学教学中引领学生模型认知的思考与探索[J]. 化学教学， 2017， （9）： 20～21.

[3]杨玉琴. 化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J]. 化学教学， 2017， （7）： 9.

[4]沈桅. 不用方格纸的“油膜法测分子直径”实验——细化教学目标在实验教学中的一次尝试[J]. 物理教学， 2015， （4）： 31.

[5]唐林， 刘红天， 温会玲. 物理化学实验（第二版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1993： 122.

[7]S. Ducheyne. Towards an Ontology of Scientific Models [J]. Int Ontology Metaphysics， 2008， （9）： 121～122.