基于数字化实验的表面活性剂研究性学习

摘要

现行高中化学教材对表面活性剂的相关知识介绍较少。基于手持技术，结合表面活性剂独特的结构、丰富的性质和广泛应用的特点，围绕表面活性剂设计开发相应的数字化实验，并将其应用于课堂研究性学习，有效地落实了化学学科核心素养的培养。

Graphical abstract

关键词

手持技术 / 表面活性剂 / 数字化实验 / 研究性学习

表面活性剂是一类有着特殊结构的有机分子，其分子的一端有极性，称为亲水基团，分子的另一端没有或者几乎没有极性，称为疏水基团。将少量表面活性剂加入溶液后会使溶液体系的界面状态发生明显的变化。表面活性剂种类丰富，目前在生产生活和科学研究中已经取得了非常广泛的应用。但现行高中化学教材对表面活性剂的相关知识介绍得较少，仅仅人教版高中化学选择性必修2《物质结构与性质》第二章第三节“分子结构与物质的性质”中提及了表面活性剂的少量知识^［1］。为了帮助学生更好地理解并掌握表面活性剂的结构与性质，笔者基于手持技术，运用多种传感器，围绕表面活性剂开发相关数字化实验，并将其应用于课堂研究性学习，不仅进一步丰富和完善了表面活性剂的教学资源，而且有效落实了“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养。

1 研究思路

表面活性剂具有分子一端亲水、另一端疏水的特殊结构，将少量表面活性剂加入水中，由于疏水基团的疏水作用，表面活性剂会自发逃离水环境并分散在水的液面表层形成一层亲水基团朝向水，而疏水基团朝向空气的单分子层。水的表面张力是一种指向内部水的收缩力，由于排列在水面的表面活性剂的疏水端排斥水分子并向外牵引发力，从而大大降低了水的表面张力。少量的表面活性剂在气液界面排列松散，随着浓度的增加，表面活性剂在气液界面的吸附量不断增大，当水面被表面活性剂排满后，剩余的表面活性剂会自发分散到水中并聚集形成亲水端朝外、疏水端朝内的各种形态不一的胶束，从而使形成的分散系具有了丁达尔效应^［2］。表面活性剂的这种在水中自发组装成有序体的性质也被称为分子自组装，如图1所示。

笔者借助力传感器，测定了蒸馏水和一定浓度的表面活性剂水溶液表面张力的大小，从而探究表面活性剂对水的表面张力的影响；借助浑浊度传感器测定了不同浓度的表面活性剂水溶液的浑浊度，为揭示表面活性剂在水中自组装形成胶束提供了一定的实验证据。

2 实验用品

（1） 实验仪器：朗威数据采集器、威尼尔数据采集器、力传感器、浑浊度传感器、自制泡沫塑料圆盘、烧杯、回形针、电脑、激光笔、夹持固定装置等。

（2） 实验药品：十二烷基苯磺酸钠水溶液、蒸馏水等。

3 研究性学习流程

3.1 探究表面活性剂对水的表面张力的影响

【任务1】水黾可以在水面自由行走，是因为水具有表面张力。请动手试一试，让回形针像水黾一样漂浮于水面上。

【学生活动】借助水的表面张力，成功地将一枚回形针漂浮于水面之上，从而感受表面张力的神奇（图2）。

【设计意图】铁质回形针的密度比水大，却能漂浮于水面之上，这正是因为水具有表面张力。学生通过亲自动手实验感知水存在表面张力，激发学习兴趣，为接下来深入学习表面活性剂种下了思维的种子。

【任务2】利用力传感器分别测定蒸馏水和一定浓度的表面活性剂水溶液表面张力的大小，探究表面活性剂对水的表面张力的影响。

【实验原理】表面张力的变化可通过挂片法、挂环法、最大压力气泡法等方法测定^［3］，但这些方法需要借助表面张力仪测量，而这在高中课堂教学中很难实现。在该实验中，将两片相同的泡沫塑料圆盘用绳子固定在两只力传感器上，向两只烧杯中分别加入蒸馏水和一定浓度的十二烷基苯磺酸钠（一种常用的表面活性剂）水溶液，用手托举烧杯，使泡沫塑料圆盘底面和烧杯中液体表面相接触，再脱离，从而产生拉力，该拉力的大小可反映液体表面张力的大小。借此方法比较蒸馏水和十二烷基苯磺酸钠水溶液表面张力的大小差异，即可探究表面活性剂对水的表面张力的影响。任务2实验装置如图3所示。

【学生活动】学生甲向一只烧杯中加入300 mL蒸馏水，用手托举装有蒸馏水的烧杯，使泡沫塑料圆盘底面和烧杯中蒸馏水表面相接触，再脱离，连续完成10次重复操作；用力传感器测定整个操作过程中体系力的变化，同时用数据采集器适时采集实验数据。学生乙向另一只烧杯中加入300 mL 2 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液，同样用手托举烧杯，使泡沫塑料圆盘底面和水溶液表面相接触，再脱离，重复操作10次；用力传感器测定体系力的变化，同时用数据采集器适时采集实验数据。

【实验结果】测定普通蒸馏水表面张力的实验结果显示，其表面张力数值为0.4～0.6 N（图4），平均值约为0.5 N，这与文献报道的水的表面张力数值极为接近；用相同方法测定的2 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液的表面张力数值为0.2～0.3 N（图4），平均值约为0.25 N，其水的表面张力值明显下降。

【实验结论】从实验结果来看，一定浓度的十二烷基苯磺酸钠使水的表面张力下降了近1/2，笔者在课外也用其他类型的表面活性剂完成了相同实验，发现均能使水的表面张力有不同程度的下降。表面活性剂具有自发在水面排列并显著降低水的表面张力的性质。

【设计意图】学生由宏观实验现象入手，进而分析出表面活性剂能降低水的表面张力的微观原因，既增强了学生动手实验的能力，也提升了学生“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

3.2 探究表面活性剂在水中的分子自组装

【任务3】利用浑浊度传感器测定含有表面活性剂的水溶液体系浑浊度的变化，探究表面活性剂在水中的分子自组装现象。

【实验原理】当分散在水中的表面活性剂浓度较低时，会优先在水面排列成单分子层，若继续增大水中表面活性剂的浓度，表面活性剂在将水面占满后继续在水中分散并自发聚集形成胶束，这个过程会引起体系浑浊度的变化，并产生丁达尔效应。

【学生活动】学生将实验装置组装好后，先用浑浊度为100 NTU的标准液校准浑浊度传感器，再向测量瓶中分别加入蒸馏水、1 mmol/L和10 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液，随后用浑浊度传感器分别测定体系的浑浊度，同时用数据采集器适时采集实验数据。

【实验结果】体系浑浊度的大小和分散质的粒径大小有关，当分散质粒径较大时，会对入射光有较强的散射，从而使浑浊度上升。由实验结果可知，蒸馏水的浑浊度数值很小，不到2 NTU，1 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液浑浊度数值也较小，只有约3 NTU，这说明低浓度的表面活性剂在水中主要以简单离子等形式存在。用激光笔照射1 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液，无明显实验现象（图5-a）。10 mmol/L十二烷基苯磺酸钠水溶液浑浊度数值较大，达到11 NTU（图5-b）。较高浓度的表面活性剂水溶液浑浊度较大，这说明其在水中分散形成的分散质粒径较大，用激光笔照射后产生显著的丁达尔效应，证明高浓度的表面活性剂在水中自组装形成胶束。

【实验结论】表面活性剂借助其独特的两亲结构，在水中能自发组装形成胶束，这种自发聚集并组装成有序体的特性被称为分子自组装。结合浑浊度实验与丁达尔效应，证实胶束的形成，也验证了表面活性剂在水中分子自组装的科学现象。

【设计意图】学生通过实验比较蒸馏水和不同浓度的表面活性剂水溶液浑浊度的差异，引导学生观察实验现象并分析表面活性剂在水中的分子自组装现象，很好地培养了学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养。

【任务4】洗衣液的主要成分是表面活性剂，请结合今天所学习的知识，试分析洗衣液能去除油污的原因。

【学生活动】分析原因：表面活性剂利用其疏水端插入油污中，亲水端朝向水并不断和水作用，大油污被解离成细小油珠并脱离衣物表面，表面活性剂接着聚集形成胶束并将小油珠围拢在胶束的空腔中，清水即可将这些包含了油珠的胶束冲洗干净。

【设计意图】加强化学知识与实际生活的联系，提升学生分析、解决实际问题的能力^［4］。

4 结语

化学实验对于化学教学有着独特的价值，近些年兴起的手持技术数字化实验又有着传统实验所无法比拟的优势。笔者围绕高中化学教学中鲜有涉及的表面活性剂，设计与开发了相关数字化实验，并应用于课堂研究性学习。数字化实验的内容新颖独特，易于引起学生极大的学习兴趣，从而获得良好的学习效果。在目前新课标、新教材、新高考“三新”大背景下，化学教师要善于挖掘教材的知识盲区，勇于探索新颖的教学资源，加强教学内容与生活实际的联系，则新颖的学习内容一定会收获更多的教学精彩，从而提升学生知识学习的深度和品质。

参考文献

[1] 人民教育出版社.普通高中教科书化学选择性必修2∙物质结构与性质［M］.北京：人民教育出版社， 2020.

[2] 张永民，卢子怡，向育铭，等.表面活性剂的神奇魔法：从表面吸附到体相组装［J］.化学教育（中英文），2022，43（21）：127.

[3] 陈宗淇，王光信，徐桂英.胶体与界面化学［M］.北京：高等教育出版社，2001.

[4] 周玉芝.“洗涤的学问”项目式教学［J］.化学教育（中英文），2020，41（13）：22-27.

基金资助

安徽省2023年度教育科学研究课题“‘两次倒转’在高中化学单元活动设计与实施中的应用研究”(JK23089)

安徽省2023年度教育科学研究课题“高中化学探究性实验教学评价体系建构的研究”(JK23090)