基于ap课程理念的探究实验设计

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1、基于AP课程理念的探究实验设计　　摘要：AP化学课程是近年来在中学广泛开设的国际班课程之一。立足于AP化学课程理念，结合我国科学教育的现状，对传统的阿伏伽德罗常数的测定实验进行了改进，设计了实验，用宏观的技术手段测出微观的键长数据。　　关键词：科学教育；科学素养；探究学习　　AP是指TheAdvancedPlacementProgram，AP化学课程要求学生在掌握基本的化学知识、化学原理和实验操作的基础上，在化学方面能够清晰地进行思考，具有逻辑地表达本课程的口头和书面能力，并特别强调化学计算、化学方程式和实验动手能力。　　1765年富兰克林观察到油滴铺展在水面上时，成为很薄的油层，其厚度约

2、为2.5nm，其后，波克尔斯和瑞利又发现某些难溶物质铺展在液体表面上所形成的膜，确实是只有一个分子的厚度，所以这种膜就被称为单分子层表面膜。基于此实验事实，在全日制普通高级中学教科书上出现了一个验证性实验――阿佛伽德罗常数的测定实验。　　那么，可不可以设计一种简便易行的实验，通过宏观的方法得到一些微观的化学事实呢？下面这个化学实验，是用直尺间接测定萘分子中的碳碳键长，实验简单，方便易行，不失为微观见之于宏观的化学实验之典范。　　实验材料：约2g炭粉；水槽；胶头滴管（滴出的液体每滴在0.015～0.025mL）；20mL乙醇；10mL量筒；萘球；40cm的直尺。5　　实验过程：在水槽中注入1

3、～2cm深的水，将一药匙约2g的炭粉小心堆放在水槽中心的水面上，如图1所示；然后用胶头滴管（胶头滴管可以用一根长约7cm的玻璃管，一端套上胶头，另一端连接一段橡皮管，橡皮管上接一只医用7号注射针头来代替。这时1mL溶液估计约有70滴。）吸取少量乙醇，竖直停放于炭粉正上方约20cm处，轻轻挤压胶头滴管，使胶头滴管中的乙醇滴出一滴，乙醇在水面上迅速扩散，形成如图2所示的圆形。用直尺量出圆形的直径，如果得到的圆形不规则，可以量取多个方向的长度，以求得直径的平均值，从而计算出这个圆形的面积，记作A乙醇。为避免产生较大的误差，要多次测量求平均值，每次滴加乙醇时应保持相同的高度。另外，在每次实验结束后

4、都要将水槽洗净，否则会造成较大的误差。　　将0.0120～0.0150g的萘溶解在10mL乙醇中配制成萘的乙醇溶液，用此溶液代替乙醇重复上述实验，测得溶液铺展形成的圆形的面积为A萘溶液。那么，萘所形成的圆形的面积S可以视为A萘溶液-A乙醇，假定萘分子在水面上形成的是单分子膜，那么根据萘所覆盖的水的表面积和萘的分子个数就可以得到每一个萘分子的面积S单分子。　　数据记录与处理：　　萘分子的总个数n可以由萘的物质的量浓度C求得，n=NAVC，其中NA为阿伏伽德罗常数，V为每一滴溶液的体积，C为萘溶液的物质的量浓度。根据萘所覆盖的水的表面积S，以及萘分子的个数n，可以求得每一个萘分子的面积S单分子

5、。5　　考虑到萘分子是由两个六边形连接在一起形成的平面结构，如下图所示，可以近似认为所有的碳碳键都是等长的，近似的可以把它分割成为一个矩形。其单分子的面积S单分子可以作如下计算：　　a=d×sin30°=0.5d；b=d×sin60°=0.866d，　　S单分子=（4×0.866d）（2×0.5d+d）=6.92d2　　实验结果：　　经过6次平行实验的结果，测得实验的数据如下：　　通过上表中的实验数据，可以求得碳碳键的键长为1.67埃（167pm）。考虑到这个实验所用器材的局限性以及在实验过程中采取了一些近似处理，取得这样的结果算是比较理想的。这个方法同样可以用于测定其他芳香族化合物的碳碳

6、键键长，如菲、蒽、苯等。　　实验结果分析：　　由于有氢键之间的作用，使得乙醇极容易与水混合，在恒温恒压下铺展一单位面积时，体系的吉布斯自由能的变化值为ΔG=γl-s+γg-l-γg-s，S=-ΔG=γg-s-γg-l-γl-s，上式中S即为铺展系数，乙醇具有较大的铺展系数，这使铺展过程本身伴随着吉布斯自由能的减小，铺展从而能够自发而迅速地进行。对于所有溶质而言，铺展系数大都有利于铺展的顺利进行。　　因而当有一滴这样的物质接触到水面时，其分子迅速与水分子作用，在水面上铺展开来。这个铺展过程可以很容易地进行检测，我们使用炭粉作为标记物质，铺展中乙醇将炭粉也推到圆形的边缘，现象明显，容易观察。这

7、种方法具有良好的可重复性。5　　当有少量的其他物质溶解在乙醇中，如少量萘溶解在乙醇中，可忽略在一滴萘溶液中所带来的乙醇分子数目的变化，那么溶液中乙醇在水面上铺展的面积大小与前面实验做得的纯溶剂乙醇形成的大小可以近似地视为相等。溶质萘不溶于水，这样萘会在水面上形成一个单分子膜，其面积可以用溶液铺展形成的面积减去纯乙醇铺展所形成的面积。需要注意的是乙醇容易挥发，试剂瓶内配制好的萘的乙醇溶液应该新鲜配制，取后要塞紧瓶塞，否则浓