高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)—中和反應(yīng)熱的測定

郭思貝

(山西省臨汾市第一中學(xué)，山西 臨汾 041000)

高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)—中和反應(yīng)熱的測定

郭思貝

(山西省臨汾市第一中學(xué)，山西 臨汾 041000)

針對中和反應(yīng)熱測定存在的不足提出了改良保溫裝置(用杜瓦瓶代替燒杯)、測量方法(用傳感技術(shù)代替溫度計(jì))和數(shù)據(jù)處理方法(Origin 軟件作圖法的使用)的實(shí)驗(yàn)方案， 并通過實(shí)驗(yàn)分析了改進(jìn)后的方案數(shù)據(jù)。證實(shí)了改進(jìn)后的保溫裝置保溫效果更好，實(shí)驗(yàn)測定值的誤差在中學(xué)階段做中和熱測量實(shí)驗(yàn)的允許范圍之內(nèi)，更接近理論值。

中和反應(yīng)熱；保溫裝置；測量方法；數(shù)據(jù)處理方法；改進(jìn)探究

“中和反應(yīng)反應(yīng)熱(后簡稱中和熱)的測定”是高中化學(xué)教材中的一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，也是現(xiàn)行高中化學(xué)教材中為數(shù)不多的定量實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不但能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本操作和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理能力，而且對于引導(dǎo)和發(fā)掘中學(xué)生創(chuàng)新能力，也有著非常重要的作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：NaOH、CH3COOH、HCl 溶液(濃度均為 1mol·L-1)；

實(shí)驗(yàn)裝置：中和熱測定裝置 1 套；其中圖1為中和熱測定裝置，圖2為杜瓦瓶結(jié)構(gòu)圖。

圖1 中和熱測定裝置

圖2 杜瓦瓶結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 量熱計(jì)常數(shù)(K)的測定

按上述操作方法重復(fù)兩次，取其平均值。

1.2.2 酸堿中和熱測定

取50 mL的1 mol·L-1NaOH溶液注入堿貯存器，仔細(xì)檢查確定不漏液后，將玻璃棒插入貯存器中。用量筒量取400 mL蒸餾水注入用凈布或?yàn)V紙擦凈的杜瓦瓶中，然后加入50 mL的1 mol·L-1HCl溶液。輕輕塞緊瓶塞，用攪拌器均勻攪拌，并記錄溫度(每分鐘一次)。記10個(gè)數(shù)后，將堿貯存器稍稍提起，用玻璃棒將膠塞捅掉(不要用力過猛，已免玻璃棒碰破杜瓦瓶之內(nèi)壁而損壞儀器)。捅掉膠塞后，即將堿貯存器上下移動兩次，使堿液全部流出。此后不斷攪拌，并繼續(xù)每隔1s記錄一次溫度。待溫度變化緩慢后，再每隔1min記錄5個(gè)數(shù)據(jù)后就停止測定。用Origin 軟件作圖法確定△T2。按上述方法重復(fù)兩次，取其平均值。

用 CH3COOH代替HCl，重復(fù)上述操作，求△T3。

2 數(shù)據(jù)記錄和處理

將數(shù)據(jù)記錄于表1：P= t=

表1 數(shù)據(jù)記錄

2.1 量熱計(jì)常數(shù)的計(jì)算

由實(shí)驗(yàn)可知，通電所產(chǎn)生的熱量使量熱計(jì)溫度上升△T，由焦耳-楞次定律可得：

利用醫(yī)院管理信息系統(tǒng)（HIS），提取2014年干預(yù)前已出院清潔手術(shù)病歷528例為對照組，男性237 例，女性 291 例，年齡 18～68 歲，平均（47.5±5.9）歲，病因包括甲狀腺42例、乳腺85例、腹股溝疝76例、骨折內(nèi)固定取出術(shù)266例及白內(nèi)障59例；隨機(jī)抽取綜合干預(yù)后2017年已出院清潔手術(shù)病歷614例為干預(yù)組，男性279例，女性335例，年齡20～72歲，平均（46.9±6.1）歲，病因包括甲狀腺 54 例、乳腺97例、腹股溝疝92例、骨折內(nèi)固定取出術(shù)298例及白內(nèi)障73例。兩組病例均排除術(shù)前已存在感染者，在年齡、性別、手術(shù)類別等方面均無顯著差異（P＞0.05），具有可比性。

Q =UIT=K△T

(1)

式中：Q為通電所產(chǎn)生的熱量(J)；I為電流強(qiáng)度(A)；U為電壓(V)；t為通電時(shí)間(s)；△T為通電使溫度升高的數(shù)值(℃)；K為量熱計(jì)常數(shù)，其物理意義是量熱計(jì)每升高1℃所需之熱量。它是由杜瓦瓶以及其中儀器和試劑的質(zhì)量和比熱所決定的。當(dāng)使用某一固定量熱計(jì)時(shí)，K為常數(shù)，由(1)式可得：

(2)

將△T1(平均值)代入(2)式，求出量熱計(jì)常數(shù)K。

表2 測定量熱計(jì)常數(shù)K的時(shí)間和溫度

圖3 量熱計(jì)常數(shù)K的測定曲線

2.2 中和熱的計(jì)算

反應(yīng)的摩爾熱效應(yīng)可表示為：

(3)

式中：c為溶液的濃度；V為溶液的體積(mL)；△T為體系的溫度升高值。

利用(3)式，將K及△T2(平均值)代入，求出鹽酸與氫氧化鈉溶液的中和反應(yīng)的摩爾中和熱△H中和。

表3 測定HCl和NaOH中和焓的時(shí)間和溫度

圖4 HCl與NaOH反應(yīng)的溫度曲線

2.3 解離熱的計(jì)算

利用(3)式，將K及△T3(平均值)代入，求出弱酸與強(qiáng)堿中和反應(yīng)的摩爾熱效應(yīng)△H。利用蓋斯定律求出弱酸分子的摩爾解離熱△H解離，即：

△H解離=△H-△H中和

(4)

表4 測定 CH3COOH和NaOH中和焓的時(shí)間和溫度

圖5 CH3COOH與NaOH反應(yīng)的溫度曲線

2.4 具體的處理結(jié)果

室溫 25℃；大氣壓力 100kPa；功率P=10W；通電時(shí)間t=550s。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理的創(chuàng)新點(diǎn)

利用酸堿濃度、量熱計(jì)常數(shù)計(jì)算中和熱值，可減少誤差，并應(yīng)用 origin 軟件繪制工作曲線，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加簡單、精確。本實(shí)驗(yàn)稀 HCl 與稀 NaOH 溶液反應(yīng)的過程反應(yīng)放出的熱量實(shí)際測量值為-55.23 kJ·mol-1(可以精確到小數(shù)點(diǎn)后三位)，而中和熱的理論值為-57.3 kJ·mol-1。相對誤差=(57.3-55.23)/55.23=3.74%。 該誤差完在中學(xué)階段做中和熱測量實(shí)驗(yàn)的允許范圍之內(nèi)。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置微型化、小型化

將現(xiàn)行高中課本中的燒杯改為小體積杜瓦瓶(體積縮小為原燒杯體積的1/4)，一方面體系保溫隔熱效果好，另一方面使實(shí)驗(yàn)向小型化和微型化設(shè)計(jì)方面發(fā)展，使氫氧化鈉和鹽酸的用量減少到原來的四分之一。減少試劑用量后的中和反應(yīng)系統(tǒng)由于溶液體積大幅減少，攪拌效率更高，系統(tǒng)各處的溫度更趨一致，對溫度變化的監(jiān)測更容易，溫度數(shù)據(jù)也更準(zhǔn)確。實(shí)踐證明，該創(chuàng)新設(shè)計(jì)不但可以達(dá)到與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮托Ч铱梢源蠓鶞p少試劑用量、不同程度地減少實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的化學(xué)廢棄物、節(jié)約后處理費(fèi)用、減少污染、改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此，此舉已經(jīng)成為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重要發(fā)展趨勢。

3.3 將手持技術(shù)引入并融教學(xué)設(shè)計(jì)

手持技術(shù)，又稱傳感技術(shù)。主要是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)施以及配套的數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比較，它能實(shí)時(shí)、快速、直觀地顯示中和反應(yīng)在反應(yīng)過程中的溫度變化，并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確地計(jì)算出中和熱值。

3.4 本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對課程教學(xué)的促進(jìn)

實(shí)踐證明，化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣，進(jìn)而使之對化學(xué)產(chǎn)生興趣，這是創(chuàng)設(shè)生動、活潑的化學(xué)教學(xué)情境的重要形式，而實(shí)驗(yàn)探究是轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式和發(fā)展實(shí)驗(yàn)探究能力的重要途徑，同時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)還是落實(shí)“情感態(tài)度與價(jià)值觀”目標(biāo)的重要手段。通過本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)，不僅可以鍛煉學(xué)生不局限于課本內(nèi)容的思維能力，而且對于進(jìn)一步提高其動手能力，以及對中學(xué)教師提高對化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法論功能、認(rèn)識論功能以及教學(xué)論功能的認(rèn)識都是有積極作用的。

[1] 吳子生，嚴(yán) 忠.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].長春：東北師范大學(xué)出版社，1995:40-44.

[2] 姚廣偉，卜平宇.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003:64-68.

[3] 張新麗，胡小玲，蘇克和.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008:24-26.

[4] 彭少方.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：高等教育出版社，1963：35-36.

(本文文獻(xiàn)格式：郭思貝.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)—中和反應(yīng)熱的測定[J].山東化工,2017,46(11):157-159.)

Innovative Chemical Experiment of High School-The Neutralization Rreaction Heat Measurement

GuoSibei

(Linfen First Middle School in Shanxi Province,Linfen 041000,China)

Aiming at the shortcomings of the neutralization reaction heat measurement is put forward improved insulation device (using dewar bottle instead of a beaker), measuring method (with sensor technology to replace the thermometer) and data processing method (Origin drawing method) of experimental scheme, and the improved scheme is analyzed through experiment data. Confirmed the improved heating device heat effect is better, the experimental error of the measured value neutralization heat measurement experiment in permission scope, and closer to the theoretical value.

neutralization reaction heat;insulation device;measurement methods;data processing method;improved research

2017-04-10

郭思貝(2001—)，女，山西臨汾人，高中生，研究方向?yàn)橹袑W(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

G642.423

B

1008-021X(2017)11-0157-03