放大式分子间隙实验设计

    张泓筠 朱丹

    

    

    摘? ?要：以液体为研究对象，混合等体积的不同液体（以水和酒精为例），研究两者体积的微小变化，并将这样的微小变化予以放大。通过前后对比直观显示分子间存在间隙，横向对比显示不同分子间的间隙不一样。

    关键词：液体;体积;微小变化;简单仪器

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0051-3

    1? ? 问题的提出

    分子永不停歇地做无规则的热运动、分子之间有间隙是物理教学中的基本问题之一[1]。教学中需要通过实验直观展示出来。微观分子的间隙，宏观累积结果需要通过直观放大增强教学效果。

    既然分子运动属于热运动，分子的属性必然与温度有关，温度的高低决定了分子运动的快慢、影响分子之间的空隙[2，3]。教材及相关资料中用类似量筒的分子间隙演示器实验效果也不错，但实验现象的直观性还有待进一步提高，实验装置及方法的功能性也有待加强[4]。为此我们采用放大法设计了一套简易方法，效果更为明显。

    2? ? 理论依据

    （1）分子动理论相关内容：组成物质的分子之间有空隙，不同物质的分子之间间隙不同;热胀冷缩，温度是影响分子之间空隙大小的因素;相互扩散的物体互相进入对方，且温度不同扩散速度不同。

    （2）气体等温变化。

    （3）教学忠于实验事实，以现象为中心，设计实验，放大现象，增强直观效果。

    3? ? 设计方法分析

    通常而言，两种液体混合，即使能够相互溶解、且相互不发生化学反应，如果液体本身体积变化小，装置没有采取放大措施的话，微小的体积变化难以观察清楚，因而在增大液体体积的情况下，应同时采取放大措施。除此以外，通过封闭与液体相连的气体的体积的连锁变化，进一步直观显示体积的变化过程。

    用粗大试管增大混合液体体量，通过塞子上的玻璃管液位高低变化放大混合后的体积变化，然后通过U形管中的红墨水封闭与液体相连的气体，气体体积随液体体积变化，从而引起U形管中出现液面差（压强差），进一步直观体现体积变化效果[如图1（a）]。

    4? ? 器材及装置图

    玻璃管（5 mm×7 mm，L=200 mm），软胶塞，长试管（32 mm×200 mm），乳胶管（5 mm×7 mm），（玻璃）U形管，滴管，铁架台，玻璃杯，注射器（50 mL），酒精喷灯，打孔器，标签条（2 mm×30 mm），酒精（密度ρ■=0.79 g/cm3），蒸馏水（密度ρ■=1.0 g/cm3），植物油（密度ρ■=0.9 g/cm3），（饱和）食盐水。

    两种混合的液体理论上要求相互溶解且密度差别较小，这样在同体积混合的情况下，体积的变化量相对要大一些，考虑到取材方便，用酒精和水已足以能够反映问题。

    大容器用一根粗试管代替，管口上用套有长玻璃管（5 mm×7 mm）的软胶塞封住，玻璃管通过乳胶管与U形管左侧相连[如图1（a）]。

    5? ? 操作方法

    5.1? ? 显示分子间隙

    （1）取一根长200 mm的直玻璃管（5 mm×

    7 mm），并将其套入已打孔的软胶塞，玻璃管位于塞子下部分管口处用酒精喷灯施加弯曲加工。

    （2）检查装置气密性，用手掌握住试管主体，将玻璃管口插入水中，看是否有气泡冒出。

    （3）在试管中装入容积一半左右的水，并用标签条标记水位，然后用滴管加入2 mL植物油，用于初态时隔离水和酒精（植物油的密度介于水和酒精之间）。

    （4）将塞子塞上试管口，然后用注射器通过玻璃管口灌注酒精，酒精通过玻璃管从下部弯曲处喷出，沿试管内壁慢慢进入试管，浮于植物油表面，直到酒精液面接近玻璃管口处。

    （5）玻璃管口套上乳胶管，连接U形管（管中事先滴注红墨水），通过注射器调整U形管中的红墨水量，保持左右两侧液面高度一致;然后用止水夹夹住乳胶管，要求密封;整个装置竖直固定于铁架台上，并用粘附性标签条定位竖直玻璃管中的液位[如图1（a）]。

    （6）混合酒精与水，将试管沿塞子上的乳胶管连接处倒过来，反复几次，让两液体充分混合溶解，然后重新放回原位，观察液位的变化，此时液位明显下降，并用另一标签条定位下降后的液位，比较前后液位的变化[如图1（b）]，发现h1<h0。

    （7）将水换成同体积的食盐水，使用同体积的酒精（玻璃管中初始液位高度相同），用上述同样方法操作，用标签条标记饱和食盐水和酒精混合后竖直玻璃管中的液位，发现液位居于上述两液位之间，即h1<h2<h0，且U形管中两端液位差Δh2<Δh1。说明食盐水的分子间隙比纯水的分子间隙小[如图1（c）]。

    说明：两种不同液体的混合，分子间的作用力不同导致相互扩散、溶解，打破了原来规则相的周期排列，混乱程度增加，熵亦增加。

    5.2? ? 显示分子间隙受温度的影响

    （1）按图2（a）组装（软胶塞上左侧的玻璃管上的乳胶管用止水夹夹住密封），采用上述（3）（4）（5）步骤灌注酒精使玻璃管中液位达到玻璃管中部位置，用标签条作好标记，并与玻璃杯一起安置于铁架台上[如图2（a）]。调整U形管两边液位高度相同。

    （2）用温水预热玻璃杯以免急剧升温破裂，然后加入高温水（<80 ℃）把试管包埋起来，酒精被加热升温，玻璃管中液位不断上升[如图2（b）]。目前没有足够证据说明分子本身大小受温度影响，只能说明酒精分子因温度升高振动幅度增大，从而间隙增大。同时，U形管两侧红墨水高度差（Δh3）出現，并随温度升高不断增大。

    （3）去掉玻璃杯，让试管恢复室温，取下软胶塞左侧乳胶管上的止水夹，迅速插入滴管，用滴管滴加染色的酒精（此处仍然用同密度的酒精染色，避免因重力的作用干扰扩散快慢），可以观察到染色酒精在酒精中的扩散过程[如图2（c）]。另外，也可通过玻璃杯水浴加热观察不同温度对扩散的影响，手机分别拍视频，然后同时放映对比。

    6? ? 讨论

    尽管“溶解与扩散被认为是分子之间有间隙的证据”存在争议，有些作者认为热胀冷缩和物态变化才是真正体现分子间隙的有力证据[5]。但教学上需要一定深度的抽象理论思考才能真正体会，微小的变化直观性不够。通常而言，人们认为液体的溶解与扩散归结于不同物质分子之间的作用力不同，水与酒精同属于极性分子，两者可以任意比例相溶，假如混合后体积不变的话，不能肯定间隙的存在，而问题在于混合后体积变小了，因而应该可以肯定存在间隙，这是本设计的基础。同时我们认为，溶解与扩散现象（一种物质的分子进入另一种物质）只能是分子之间存在间隙的充分条件，而非必要条件，即如果两种不同液体分子不能溶解扩散的话并不能否定分子间隙的存在。

    参考文献：

    [1]杨文彬，赵丙勋，李权.高中物理教材知识资料包[M].北京：北京教育出版社，2005：162-163.

    [2]刘庆云.让转换与模型走进分子热运动课堂[J]. 物理教学探讨，2013，31（09）：25-27.

    [3]许弟余.气体分子运动论→气体动理论[J].物理教学探讨，2003，21（04）：48.

    [4]邵俊，乔启源，储怀祝.对演示分子间存在空隙的实验改进[J].物理实验，2006（10）：31.

    [5]王之鹏.用扩散现象说明分子间存在着间隙是一种误导[J].中学物理（初中版），1997（06）：24-25.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）