快速判斷物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度的變化

欒增維

摘 要：對(duì)魯教版化學(xué)九年級(jí)第二單元第四節(jié)“判定物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度的變化”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)溫度-壓力傳遞的方法改進(jìn)了物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，而且藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象一目了然。通過(guò)試管這個(gè)“看似簡(jiǎn)單而又不簡(jiǎn)單”的裝置，使本來(lái)看不到的溫度變化通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

關(guān)鍵詞：溶解放熱；溶解吸熱；溶液溫度；外顯；快速判定

引言

在學(xué)習(xí)魯教版化學(xué)九年級(jí)第二單元第四節(jié)時(shí)[1]，老師為同學(xué)們演示了“物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度的變化”這一實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，老師分別將等量的固體氯化鈉固體、硝酸銨固體和氫氧化鈉固體溶于等量蒸餾水中，然后同時(shí)用四支溫度計(jì)來(lái)測(cè)量蒸餾水以及溶解后溶液的溫度，以蒸餾水的溫度作為基準(zhǔn)，來(lái)說(shuō)明不同的化學(xué)藥品在溶于水后產(chǎn)生不同的反應(yīng)熱。

但其中的問(wèn)題是，老師在講臺(tái)上做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，同學(xué)們?cè)谧簧峡床坏礁鳒囟扔?jì)顯示的溫度值，只能聽老師讀出的溫度計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不直觀。從而，影響了同學(xué)們對(duì)溶解放（吸）熱這一化學(xué)現(xiàn)象的深入理解。

文章對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)另外一種實(shí)驗(yàn)裝置將實(shí)驗(yàn)結(jié)果一目了然地表現(xiàn)出來(lái)，使同學(xué)們都能清楚地看到實(shí)驗(yàn)所發(fā)生的變化，從而能更深刻地理解溶解放（吸）熱這一化學(xué)現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：量筒4支，試管4支，帶有玻璃管的單孔橡皮塞4支，玻璃棒1根，膠頭滴管1支，藥匙1個(gè)，試管架1個(gè)，燒杯1個(gè)，天平。

實(shí)驗(yàn)藥品：蒸餾水、紅墨水、氯化鈉晶體、硝酸銨晶體、氫氧化鈉晶體、凡士林。

2 原理與方法

化學(xué)反應(yīng)[2，3]所伴隨的能量變化稱為反應(yīng)熱，以△H表示。

△H=生成物熱含量之和-反應(yīng)物熱含量之和。

吸熱反應(yīng)△H>0，放熱反應(yīng)△H<0。

影響反應(yīng)熱的因素主要包括反應(yīng)物的多少，反應(yīng)物或成生物的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)），溫度、壓力。

一些化學(xué)物質(zhì)溶解入水的過(guò)程也可以看做是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程（電離過(guò)程和水合過(guò)程），同樣存在反應(yīng)熱的問(wèn)題。化學(xué)物質(zhì)溶于水所產(chǎn)生的反應(yīng)熱稱為溶解熱。溶解熱是指在一定的溫度及壓力下（通常為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，25°C，一個(gè)大氣壓），一摩爾的溶質(zhì)溶解在大體積的溶劑時(shí)所放出或吸收的熱量。以kJ/mol為單位。

氯化鈉晶體的溶解熱為+4kJ/mol、硝酸銨晶體的溶解熱為+26.2kJ/mol、氫氧化鈉晶體的溶解熱為-44.45kJ/mol。即氯化鈉晶體和硝酸銨晶體在溶于水后都要吸熱，會(huì)是溶液的溫度降低。但應(yīng)該注意到，氯化鈉的溶解熱數(shù)值雖為正值，但和硝酸銨和氫氧化鈉相比，其溶解熱很低。所以，氯化鈉溶于水后，溶液的溫度變化不會(huì)太大。氫氧化鈉晶體的溶解熱為負(fù)值，所以氫氧化鈉溶于水是一個(gè)放熱反應(yīng)，會(huì)是溶液的溫度升高。三者相比，氫氧化鈉的溶解熱數(shù)值最大，所以溶解后，氫氧化鈉溶液的溫度應(yīng)該有較大幅度的升高。

氯化鈉晶體溶于水：

NaCl（s）+H2O→Na+（aq）+Cl-（aq）+H2O+4kJ/mol（1）

硝酸銨晶體溶于水：

NH4NO3（s）+H2O→NH4+（aq）+NO3-（aq）+26.2kJ/mol（2）

氫氧化鈉晶體溶于水：

NaOH（s）+H2O→Na+（aq）+OH-（aq）+H2O-44.45kJ/mol）（3）

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

文章的主要思想為將蒸餾水倒于試管中，加入溶質(zhì)，然后用帶玻璃管的單孔橡皮塞將試管口塞住。使試管中的空氣成為一個(gè)密閉的系統(tǒng)。通過(guò)玻璃管將大氣壓傳遞給試管中的溶液。試管中液面的壓力是試管中封閉氣體的壓力，而試管所插玻璃管中液面的壓力為大氣壓。因?yàn)椴ＡЧ苁谴┻^(guò)橡皮塞開口向外的。當(dāng)試管中所密封的氣體的壓力和外面大氣壓不一致時(shí)，玻璃管中液面的高度會(huì)和試管中液面的高度不一致。試管中所封閉氣體的溫度發(fā)生變化時(shí)，其中的壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化。

當(dāng)固體的化學(xué)物質(zhì)溶于水放熱時(shí)，試管中封閉的氣體被加熱，溫度升高，氣體的壓力增大，玻璃管中的液面高度升高。反之，當(dāng)固體的化學(xué)物質(zhì)溶于水吸熱時(shí)，試管中封閉的氣體溫度降溫，氣體的壓力降低，玻璃管中的液面高度降低。

為了能更加清楚地觀察到玻璃管中液面的高度變化，文章在蒸餾水中加入紅墨水。這樣玻璃管中紅色液面的高度變化就更加醒目，容易觀察。

通常制造紅墨水[4]的有機(jī)染料有幾種：墨水紅、一品紅、酸性大紅G。這些東西都是很不穩(wěn)定的，因此紅墨水還要加入甘油、酒精、甲醛、樹膠及抗氧化劑。所以紅墨水化學(xué)成分比較復(fù)雜。其溶于水的過(guò)程以及其溶解熱等屬性也比較復(fù)雜。文章使用紅墨水量很小，并在事先就加入燒杯中。文章忽略紅墨水生熱以及其它與之有關(guān)的化學(xué)過(guò)程。

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

首先在裝有蒸餾水的燒杯中加入1-2滴紅墨水，用玻璃棒攪拌，使之變成紅色，容易觀察。

再分別量取10ml紅色蒸餾水于4個(gè)量筒中。

然后用天平分別稱量10mg氯化鈉晶體、硝酸銨晶體和氫氧化鈉晶體分別放于三支試管中。

將4個(gè)量筒中的蒸餾水依次倒入4個(gè)試管中。其中一個(gè)試管是空的，其它三支試管分別裝有氯化鈉晶體、硝酸銨晶體和氫氧化鈉晶體。用帶玻璃管的橡皮塞將4只試管口塞住。為使橡皮塞有更好的密封性，事先用凡士林涂抹橡皮塞。

輕輕搖晃試管。使其中的固體化學(xué)物質(zhì)完全溶于蒸餾水，并使試管中的空氣和溶液有充分的接觸。

4 結(jié)果與分析

以試管中溶液的液面高度為參照，來(lái)觀察玻璃管中的液面高度。結(jié)果，四只試管中玻璃管中的液面高度都發(fā)生了明顯的變化。endprint

其中蒸餾水試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氯化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm，硝酸銨試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氫氧化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚顯示，氫氧化鈉溶解放出熱量，所以其中玻璃管的液面高度最高。而氯化鈉和硝酸銨溶解是吸熱，所以其中玻璃管中液面高度要比蒸餾水的液面高度低。因硝酸銨的熱解熱較高，所以液面降低非常明顯。

由于文章使用了紅墨水首先將蒸餾水染成紅色，所以本次試驗(yàn)中玻璃管中的液面高度一目了然，能夠給觀察者留下較為深刻的印象（圖1）。

文章實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化卻通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

關(guān)于蒸餾水試管中玻璃管液面的上升。蒸餾水試管中玻璃管液面的上升是因?yàn)樵谑褂孟鹌と麑⒃嚬芸谌『?，試管中保留的氣體處于封閉狀態(tài)，且由于橡皮塞的下行，壓縮了試管中的空氣，造成試管中空氣壓力的上升。玻璃管中液面的上升體現(xiàn)了試管中壓力的增加。由于我們四個(gè)橡皮塞是完全一致的，操作方法也是一致的。所以這個(gè)相應(yīng)對(duì)4個(gè)試管來(lái)說(shuō)是一致的。文章視為背景效果，不影響文章的試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)溫度-壓力傳遞的方法改進(jìn)了物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度變化的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

參考文獻(xiàn)

[1]曲一線.初中化學(xué)九年級(jí)（魯教版）[M].北京：首都師范大學(xué)出版社，2012.

[2]廖家耀.普通化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[3]馬家舉.普通化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4]程萬(wàn)里.染料化學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2010.endprint

其中蒸餾水試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氯化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm，硝酸銨試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氫氧化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚顯示，氫氧化鈉溶解放出熱量，所以其中玻璃管的液面高度最高。而氯化鈉和硝酸銨溶解是吸熱，所以其中玻璃管中液面高度要比蒸餾水的液面高度低。因硝酸銨的熱解熱較高，所以液面降低非常明顯。

由于文章使用了紅墨水首先將蒸餾水染成紅色，所以本次試驗(yàn)中玻璃管中的液面高度一目了然，能夠給觀察者留下較為深刻的印象（圖1）。

文章實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化卻通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

關(guān)于蒸餾水試管中玻璃管液面的上升。蒸餾水試管中玻璃管液面的上升是因?yàn)樵谑褂孟鹌と麑⒃嚬芸谌『螅嚬苤斜Ａ舻臍怏w處于封閉狀態(tài)，且由于橡皮塞的下行，壓縮了試管中的空氣，造成試管中空氣壓力的上升。玻璃管中液面的上升體現(xiàn)了試管中壓力的增加。由于我們四個(gè)橡皮塞是完全一致的，操作方法也是一致的。所以這個(gè)相應(yīng)對(duì)4個(gè)試管來(lái)說(shuō)是一致的。文章視為背景效果，不影響文章的試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)溫度-壓力傳遞的方法改進(jìn)了物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度變化的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

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[4]程萬(wàn)里.染料化學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2010.endprint

其中蒸餾水試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氯化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm，硝酸銨試管中玻璃管液面高度為6.5cm，氫氧化鈉試管中玻璃管液面高度為6.5cm。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚顯示，氫氧化鈉溶解放出熱量，所以其中玻璃管的液面高度最高。而氯化鈉和硝酸銨溶解是吸熱，所以其中玻璃管中液面高度要比蒸餾水的液面高度低。因硝酸銨的熱解熱較高，所以液面降低非常明顯。

由于文章使用了紅墨水首先將蒸餾水染成紅色，所以本次試驗(yàn)中玻璃管中的液面高度一目了然，能夠給觀察者留下較為深刻的印象（圖1）。

文章實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化卻通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

關(guān)于蒸餾水試管中玻璃管液面的上升。蒸餾水試管中玻璃管液面的上升是因?yàn)樵谑褂孟鹌と麑⒃嚬芸谌『?，試管中保留的氣體處于封閉狀態(tài)，且由于橡皮塞的下行，壓縮了試管中的空氣，造成試管中空氣壓力的上升。玻璃管中液面的上升體現(xiàn)了試管中壓力的增加。由于我們四個(gè)橡皮塞是完全一致的，操作方法也是一致的。所以這個(gè)相應(yīng)對(duì)4個(gè)試管來(lái)說(shuō)是一致的。文章視為背景效果，不影響文章的試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)溫度-壓力傳遞的方法改進(jìn)了物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度變化的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單易行，藥品用量少。固體溶解時(shí)的放熱或吸熱現(xiàn)象，能快速通過(guò)玻璃管液柱高度判斷，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。玻璃管內(nèi)容積較小，使得液柱變化明顯。通過(guò)試管這個(gè)裝置，本來(lái)看不到的溫度變化通過(guò)液柱的改變外顯出來(lái)了，使班級(jí)內(nèi)每個(gè)通過(guò)同學(xué)都能觀察到現(xiàn)象，并通過(guò)現(xiàn)象獲得結(jié)論。還有本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的判斷更有說(shuō)服力，結(jié)果更使人信服。

參考文獻(xiàn)

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[4]程萬(wàn)里.染料化學(xué)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2010.endprint