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探究微粒运动实验装置的创新设计
1．问题提出
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著名化学家傅鹰教授曾说过：“化学是实验的科学，只有实验才是化学的最高法庭。”而实验探究是学习化学的重要方法和手段，“探究微粒运动实验”是学生学习完宏观元素化合物知识后，从宏观物质过渡到微观粒子的学习，了解宏观和微观联系的第一个实验，对于帮助学生走进微观世界，形成学科微粒观，落实培养化学核心素养具有重要的作用，因此该实验的教学价值自然不言而喻。现行义务教育教科书[1,2]中为了说明微粒具有的性质——构成物质的微粒是在不停地运动的，编写过程中均采用了义务教育化学课程标准（2011年版）提供的实验装置（见图1），实验内容[3]如下：“向烧杯A中加入20mL蒸馏水，滴入2-3滴酚酞试剂，让每个同学都看到溶液是无色的。向烧杯B中加入10mL浓氨水。用一只大烧杯把A、B两烧杯溶液罩在一起。几分钟后，可以发现烧杯A中的溶液由无色变成红色。”
图1?探究微粒运动实验装置
在课堂演示实验中发现以下不足：
（1）整个授课过程中，装置不便移动，可视性较差，限制了课堂演示的效果。
（2）装置并不是封闭体系，从大烧杯口逸出的氨气影响了课堂教学效果，造成了环境污染。
（3）实验结束后，还有一些氨气残留在装置中，不仅损害了师生健康，还较难处理。
（4）实验说明了微粒的性质——具有运动性，但却无法说明温度对微粒运动速率影响的具体关系。
2．文献查阅
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通过在中国知网中输入“微粒运动”等关键词进行检索，得到若干篇相关文献。仔细研读发现，一线教师虽然对该实验做了一些改进和创新，但也存在一些问题，具体如下：
2.1?利用生活废弃物改进实验
“探究微粒运动实验的新设计”[4]一文（见图2）存在的问题有：①日光灯玻璃管的处理比较麻烦，管内的荧光粉易进入呼吸道，损害人体健康；②实验前的准备和操作步骤较繁琐；③实验操作过程中不可避免有氨气逸出，会造成环境污染。
图2
“探究微粒运动实验的新设计”一文中的装置
2.2?利用常规实验仪器改进实验
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?“微粒运动实验的新设计”[5]一文（见图3）存在的问题有：①装置不密封，实验操作过程中仍然有氨气和氯化氢气体逸出，会污染环境；②无法说明温度对微粒运动速率影响的具体关系。
图3
“微粒运动实验的新设计”一文中的装置
2.3
利用自制教具改进实验
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“封闭U型管在对比实验中的应用”?[6]一文（见图4）存在的问题有：①实验开始，滴加浓氨水的过程中，氨水挥发，有氨气逸出，存在环境污染；②不能将氨水同时滴入橡皮塞小孔内，无法很好地控制变量。
图4
“封闭U型管在对比实验中的应用”一文中的装置
3．设计理念
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?根据探究微粒运动实验的特点，立足于实验的简约化、绿色化、可视化、一体化，努力做到保证实验的可操作性、严密性、科学性、安全性。演示探究微粒运动实验时，氨水挥发出来的氨气使酚酞滤纸条变色，说明微粒的运动性；等量氨水在不同温度的冷热水中挥发出来的氨气速率快慢不等，使酚酞滤纸条变色的长短不同，说明温度对微粒运动速率影响的具体关系；实验完毕，残留的多余氨气及氨水可以用稀硫酸来吸收；自制探究微粒运动实验装置和常规实验仪器通过精巧的设计和组合，最终实现氨气的产生、利用氨气探究微粒运动性质、温度高低对氨分子运动快慢的影响和多余氨气及氨水吸收的一体化，确保实验者能很好地使用该装置顺利完成演示教学内容。
4．设计方案
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?参照实验设计理念，可以通过推动一次性医用注射器栓塞，使氨水通过导管缓缓进入探究微粒运动实验改进装置，在玻璃管底部产生氨气。氨气使酚酞滤纸条变色以及变色的速率快慢均在装置两侧的长玻璃管内进行，氨分子运动速率的快慢，则通过将装置下端的玻璃管底部，同时浸入装有等体积的热水和冷水的烧杯中来完成[7]，多余的氨气及氨水则通过一次性医用注射器重新注入适量的稀硫酸来吸收。气球则既可以保证实验的安全性，平衡探究微粒运动实验改进装置内外的压强，防止内部压强过大，装置顶部橡皮塞被冲出，也可以防止多余的具有刺激性气味的氨气逸出。
5．实验原理
（1）浓氨水具有挥发性
（2）氨气溶于水显碱性，能使酚酞试液变红
（3）微粒是在不停地运动的，温度越高，微粒运动速率越快
（4）氨气及氨水均能与稀硫酸反应
①2NH3+H2SO4＝(NH4)2SO4
②2NH3?H2O
+H2SO4＝(NH4)2SO4+2H2O
6．实验用品
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（1）仪器：探究微粒运动实验玻璃仪器1个、一次性医用注射器（50mL）1支、止水夹1个、铁架台1个、喷雾瓶1个、带夹橡胶塞2个、小气球2个、烧杯（250mL）2个、乳胶管若干
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?（2）药品及试剂：浓氨水、酚酞试液、稀硫酸、蒸馏水、冷水、热水、滤纸条（45cm×2cm）
7．装置设计
7.1核心组件制作
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探究微粒运动实验改进装置核心组件的制作：一是用于存放浓氨水和酚酞滤纸条的探究微粒运动实验玻璃仪器（见图5），可按设计图厂家直接订购；二是用于夹持酚酞滤纸条和密封装置的带夹橡胶塞，可将小号长尾票夹和自攻螺丝用电烙铁焊接后，将螺丝拧紧橡胶塞背面固定制成。
图5
探究微粒运动实验玻璃仪器设计图?
7.2
装置组装
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取一小段乳胶管，在中间部位夹上止水夹，乳胶管一端连接一次性医用注射器，另一端连接探究微粒运动实验玻璃仪器下端中间的导管口，在仪器左右上部外侧导管口分别套上两个小气球，用乳胶管固定，在仪器左右顶部分别塞上带夹橡胶塞，即组装完成一套探究微粒运动实验改进装置（见图6）。
图6?探究微粒运动实验改进装置
8．实验过程
8.1
实验操作
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（1）检查整个装置的气密性。按照图7，连接好仪器，打开止水夹，拔下一次性医用注射器，拉动注射器栓塞，抽取一定体积空气后，接上乳胶管，推动注射器栓塞，观察装置中两个小气球的变化情况。
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?（2）用带夹橡胶塞上的夹子夹住酚酞滤纸条（实验前将滤纸按尺寸裁剪后，用酚酞溶液浸泡、晾干制成）的一端，将酚酞滤纸条用蒸馏水润湿后，分别置于装置两边玻璃管内，使滤纸条垂直悬挂下来。用注射器吸取约20mL浓氨水后，连接上乳胶管。
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?（3）将装置固定在铁架台上，用力推动注射器栓塞，使浓氨水通过导管进入装置下端玻璃管内，观察装置内酚酞滤纸条变色情况。
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?（4）将装置下端玻璃管同时浸入装有等体积的热水和冷水的烧杯中，观察装置中两边玻璃管内，酚酞滤纸条自下而上变红的速率快慢情况。
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?（5）实验演示结束后，关闭止水夹，拔下注射器，拉动栓塞，吸取适量稀硫酸，连接上乳胶管，打开止水夹，推动栓塞，使稀硫酸进入装置下端玻璃管内，将装置从铁架台上取下，摇动装置，观察小气球变化情况。
8.2
实验现象及解释
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?（1）推动注射器栓塞，鼓入空气，发现气球变大，是因为装置内气压大于装置外气压，说明装置气密性良好。
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?（2）浓氨水在装置下端玻璃管内，发现湿润的酚酞滤纸条自下而上慢慢变红，是因为大量氨分子运动到湿润的酚酞滤纸条上，溶于水生成了显碱性的氨水，使酚酞变红，说明微粒是在不停地运动的。
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（3）装置下端玻璃管底部同时浸入装有等体积的热水和冷水的烧杯中，发现浸入热水中这端玻璃管内的酚酞滤纸条，自下而上变红的速率比浸入冷水中的要快，是因为相同条件下，温度升高，氨分子运动速率加快，说明温度越高，微粒运动速率越快。
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（4）摇动装置，发现小气球变瘪了，是因为装置内多余的氨气及氨水被稀硫酸迅速反应完了。
9．实验说明
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（1）用一次性医用注射器吸取浓氨水前，可以先抽取约20mL空气后再吸取浓氨水，这样可以借助空气将导管里残留的氨水也压入装置玻璃管内。
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（2）将装置固定在铁架台上时，要保持玻璃管两边位置平衡，防止推动注射器栓塞，进入装置下端玻璃管底部的浓氨水体积明显不等。
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（3）实验结束，将装置内的滤纸条取出晾干后，下次演示实验可以重复使用。
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?（4）将浓氨水换成浓盐酸，酚酞滤纸条换成紫色石蕊滤纸条同样也能进行该实验。

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