利用双具支试管探究微观粒子的运动

摘要

针对沪教版“探究微观粒子运动”实验存在的步骤烦琐、氨气易泄漏、无法对比温度影响等问题，基于现有研究成果，创新性地利用双具支试管、医用注射器、T形三通接头等器材，对实验装置进行集成化、密封性改进。改进后的装置具有操作简便、现象明显、绿色环保等优点，特别是能直观对比不同温度下微观粒子的扩散速率。该设计有效支撑了“宏观辨识与微观探析”核心素养的落实，具有一定的教学参考价值。

Graphical abstract

关键词

双具支试管 / 微观粒子 / 实验改进 / 探究 / 运动

现行沪教版化学九年级上册第1章第1节^［1］“认识化学科学”中编排有“探究微观粒子运动的实验”（图1），存在如下不足。

（1） 实验步骤较为烦琐，实验操作的连贯性不强，影响学生形成结构化的认知。

（2） 利用烧杯作为反应容器，使用药品较多，烧杯不完全密封，氨气会逸散到空气中，造成环境污染，不符合绿色化学理念。

（3） 实验仅在常温下进行，受装置局限，无法改变实验条件，不能对比温度对微观粒子运动的影响。

鉴于以上不足，为了节约药品，化繁为简，使实验符合绿色化学理念，并实现一体化探究微观粒子运动，笔者利用实验室常见仪器对该实验进行以下改进。

1 已有改进简述

目前，针对微观粒子运动实验的改进已有很多探索，这些工作为教学提供了丰富的思路，但在特定功能方面（如装置的便携性、定量化对比或环境友好性）仍有进一步优化的空间。

余荣华^［2］利用分液漏斗和试管等仪器设计实验探究微观粒子的运动，通过浓盐酸、浓氨水使酸碱指示剂变色来证明微观粒子的运动。其不足为：完成该实验后，分液漏斗内的氨气或氯化氢气体未经处理，这会污染空气；没有设计对比实验，无法探究温度对微观粒子运动速率的影响。

穆小艳^［3］利用球形干燥管、广口瓶等实验仪器组装了一套在密闭空间探究微观粒子运动的装置。其不足为：实验中，需要更换干燥管，操作步骤较为烦琐，且药品用量较多；实验结束后，残留在仪器中的氨气未采取处置措施，会对环境造成污染。

谢丹敏等^［4］采用湿润的酚酞滤纸条在封闭U形管中进行绿色微型化微观粒子运动实验。其不足为：在开始滴加药品的过程中，浓氨水易挥发而逸散到空气中，从而污染环境；滴入氨水时存在先后顺序，且氨水依次滴加到橡皮塞小孔内未能有效控制实验变量，造成等量氨水中的氨分子运动的量并不相同，从而影响对比分析微观粒子运动速率与温度的关系。

2 实验改进

2.1 实验用品

（1） 器材：上下口双具支试管2支（25 mm×250 mm）、一次性医用注射器1支（10 mL）、T形三通接头1个、橡皮塞2个、小气球2个、吸管2根（6 mm×230 mm）、铁架台（带铁夹）1个，剪刀1把、打孔器1套、单向阀2个、乳胶管若干，滤纸若干，电子打火枪1把。

（2） 试剂：25.0%浓氨水、17.5%稀硫酸、酚酞试液。

2.2 实验原理

（1） 氨气溶于水呈碱性，能使湿润的酚酞滤纸条变红色，其化学方程式为：H₂O+NH₃=NH₃·H₂O；NH₃·H₂O⇌NH₄⁺+OH^-。

（2） 氨分子在不断地运动，且温度越高，运动越剧烈。

（3） 稀硫酸可以吸收氨气且与氨水反应，其反应的化学方程式为：H₂SO₄+2NH₃=（NH₄）₂SO₄；2NH₃·H₂O+H₂SO₄=（NH₄）₂SO₄+2H₂O。

2.3 实验装置

设计的新实验装置见图2（夹持仪器略）。

2.4 实验步骤及现象

（1） 检查装置气密性。

按图2连接好仪器，拔下注射器，拉动活塞吸入一定量空气，然后将注射器与胶皮管连接，推动活塞将空气注入装置。若装置两侧小气球鼓起，说明装置气密性良好。

（2） 装入药品。

取下两个带有吸管的橡皮塞（将吸管每隔一段距离斜剪一刀，将滤纸剪成条状插入切口；用打孔器在橡皮塞上打好不穿透的6 mm孔后，将吸管一端插入备用）。向插有滤纸条的吸管上滴加适量酚酞溶液，然后将吸管伸入试管内，塞紧橡皮塞。拔出注射器，拉动活塞吸取约1 mL浓氨水后，再将注射器连接到装置上。

（3） 性质探究。

推动注射器活塞，使浓氨水沿T形三通接头进入双具支试管的底部，观察到装置两侧的双具支试管内的吸管上湿润的酚酞滤纸条自下而上逐渐变红，说明构成物质的微观粒子——氨分子在不断地运动。

开启电子打火枪，对准装置右边的具支试管底部微微加热，发现右边吸管上的酚酞滤纸条颜色变红的速率明显加快，说明温度越高，氨分子的运动速率越快。

实验结束，取下注射器，吸取约4 mL稀硫酸，重新连接装置，推动活塞以中和残留氨水，并吸收体系中的氨气。

2.5 几点说明

（1） 使用上下口双具支试管作为反应容器，可以增加实验的可视性，展现微观粒子运动的动态过程。

（2） 小气球可以用于指示整个实验过程的气压变化：实验前，用于检验装置气密性；实验中，氨分子逸出使体系内压强增大，气球膨胀；实验结束后，氨气被吸收导致压强减小，气球收缩。另外，小气球也起到缓冲装置内气压的作用。

（3） 药品可以更换成浓盐酸等挥发性强的试剂，纸片上可以滴加相应的酸碱指示剂，或者用相应的试纸替代。

3 实验优点

（1） 实验装置取材于常见仪器，无需额外定制。对比温度对微观粒子运动的影响时，采用电子打火枪加热，操作简单，同时实现了实验流程的一体化整合。

（2） 利用吸管上的间隔切口固定滤纸条，通过观察滤纸条自下而上变色的宏观动态过程，直观解释微观粒子的运动现象。

（3） 装置密闭，反应过程中无污染气体泄漏；实验结束后，用稀硫酸处理气体，解决了污染环境问题。

4 结语

探究微观粒子运动的改进实验，仪器简单易得，操作安全易行，现象生动有趣，有助于学生在感性认识的基础上建构微观粒子的运动观念，进而发展“宏观辨识与微观探析”学科核心素养。

参考文献

[1] 王祖浩.义务教育教科书化学九年级上册［M］.上海：上海教育出版社，2024.

[2] 余荣华.巧用分液漏斗探究微粒运动［J］.实验教学与仪器，2021，38（06）：29-30.

[3] 穆小艳.“微粒运动”演示实验创新优化［J］.中学化学教学参考，2022（10）：75-76.

[4] 谢丹敏，汤中华.封闭U型管在对比实验中的应用［J］.化学教学，2016（04）：81-84.

基金资助

江苏省教研室第15期立项课题“指向‘科学探究与实践’的初中化学实验创新教学研究”(2023JY15-L94)

2025年镇江市社科应用研究课题“核心素养视域下融合创新实验的初中化学课堂教学实践研究”(2025jy220)