借助便携式氧气传感器探究微粒运动的实验设计

江苏省徐州市西苑中学(221002) 周珊珊 张 羿 李德前

现行多个版本的9年级化学教科书在“物质构成的奥秘”单元中,均编排了“探究微粒运动”的实验。教科书上都是借助浓氨水与酚酞溶液的试剂组合进行实验演示,从定性的角度探究了分子运动现象。客观地说,该实验的现象很明显、直观,但是浓氨水的挥发与外逸对环境造成了一定的污染。

在已有研究的基础上[1-4],我们借助便携式氧气传感器,设计了探究微粒运动实验,实现了化学实验绿色化、定量化。

1 实验用品

氧气,二氧化碳,热水;便携式氧气传感器,计时器,300 mL广口塑料瓶,烧杯等。

2 实验装置

新设计的实验装置如图1所示(夹持仪器略)。

图1 借助便携式氧气传感器探究微粒运动实验装置

3 实验步骤

为缩小实验误差、增强实验的可信度,每组实验均重复3次;为了控制变量,节约时间,每次实验都从氧气体积分数为96%开始计时,记录1 min内氧气浓度随时间的变化,实验数据平均值见表1。

表1 塑料瓶内氧气体积分数变化

(1)实验1:充满氧气的塑料瓶常温下敞口正立时氧气浓度变化。将便携式氧气传感器的探头放入充满氧气的敞口正立的塑料瓶中,如图1(a),记录氧气浓度随时间的变化(实验数据平均值见表1),发现氧气浓度缓慢减小。

(2)实验2:充满氧气的塑料瓶加热条件下敞口正立时氧气浓度变化。将便携式氧气传感器的探头放入充满氧气的敞口正立塑料瓶中,再将塑料瓶放入装有65 ℃热水的烧杯中,如图1(b),记录氧气浓度随时间的变化,发现氧气浓度较快减小。

(3)实验3:充满氧气的塑料瓶常温下敞口倒立时氧气浓度变化。将便携式氧气传感器的探头放入充满氧气的敞口倒立的塑料瓶中,如图1(c),记录氧气浓度随时间的变化,发现氧气浓度很快减小。

4 实验结论

利用Qrigin软件作图,将实验1～3中得到的数据绘制成曲线图,3组实验数据的对比如图2所示。分析图2可以得出如下实验结论:

图2 3种情况下氧气体积分数变化的对比

(1)充满氧气的塑料瓶敞口正立时,氧气浓度不断减小,说明氧分子在不断向瓶外逸出,进而可知微粒在不断运动。

(2)充满氧气的塑料瓶敞口正立,加热时氧气浓度减小的速率明显快于常温时氧气浓度减小的速率,这说明温度越高微粒运动的速率越快。

(3)充满氧气的塑料瓶,敞口倒立时氧气浓度减小的速率明显快于敞口正立时氧气浓度减小的速率,说明密度比空气大的气体有强烈的向下运动趋势。

5 实验优点

(1)本实验以便携式氧气传感器为基础,辅以常见的实验用品,所得实验数据不仅可以直观地说明微粒的运动性,还反映出环境温度、气体密度对微粒运动快慢的影响。

(2)本实验使用的便携式氧气传感器价格较低,易于推广;借助氧气的扩散进行实验探究,实验过程对环境友好。

(3)该创新实验内涵丰富,重视宏微结合的学科实践,让学生感受到了化学的魅力,对学生学习化学的兴趣和创新意识具有很强的促进作用[5]。

(4)从学生已熟悉的氧气入手,以化学学科素养为导向,注重知识的衔接,有利于学生直观、全面地认识微观粒子运动的基本性质和气体的物理性质。

(5)如果将氧气换成二氧化碳气体,仍然使用便携式氧气传感器测量敞口正立塑料瓶里氧气浓度变化(如图3),不难发现氧气传感器的读数会从0开始逐渐增大,并最终达到21%左右,这同样说明微粒在不断运动。

图3 借助便携式氧气传感器探究微粒运动的另一种装置