常見物質(zhì)溶解過程溫度變化的實(shí)驗(yàn)探究

孫影 信欣 許敏

摘要： 以物質(zhì)溶解過程中能量變化為依據(jù)，利用溫度傳感器探究多種常見物質(zhì)在水溶液中溶解過程的溫度變化。通過量熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)合水合離子的生成焓的理論數(shù)據(jù)，揭示物質(zhì)溶解過程中吸熱和放熱現(xiàn)象的本質(zhì)來自水合過程的差異。量熱實(shí)驗(yàn)得到的溶解熱的實(shí)驗(yàn)值與根據(jù)水合離子的生成焓計(jì)算得到溶解熱的理論值基本符合。溶解熱絕對值的實(shí)驗(yàn)值要比理論值偏低（10±2）%。旨在幫助學(xué)生建立科學(xué)的物質(zhì)變化觀和能量觀，逐步形成化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)； 溶解過程； 溫度變化； 溶解熱

文章編號： 10056629（2018）2007504中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1問題的提出

物質(zhì)溶解過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象見諸于人教版九年級2012年版《化學(xué)》教材下冊第九單元課題一，其中“物質(zhì)的溶解過程”是許多學(xué)者關(guān)注的內(nèi)容，如田長明（2016）從初中化學(xué)教材“溶解過程”示意圖入手，對鈉離子、氯離子結(jié)合水分子數(shù)及鈉離子和氯離子與水分子的作用進(jìn)行了研究[1]；嚴(yán)宣申教授（2007）就溶解過程的熱效應(yīng)從理論上進(jìn)行過詳細(xì)講解[2]；還有其他大量文獻(xiàn)詳細(xì)研究了物質(zhì)的沉淀溶解平衡、溶解度等有關(guān)概念，但其中結(jié)合課本探究實(shí)驗(yàn)對溶解過程中溫度變化的研究較少。由于實(shí)際教學(xué)中該實(shí)驗(yàn)使用的是傳統(tǒng)酒精溫度計(jì)，分度值較大會造成較大實(shí)驗(yàn)誤差。部分教師在課上會總結(jié)得出NaCl溶于水溫度不變的結(jié)論，這就容易給學(xué)生造成錯誤認(rèn)識，不利于后續(xù)知識的學(xué)習(xí)。

本研究采用不銹鋼溫度傳感器，以提高實(shí)驗(yàn)精確度，增加物質(zhì)種類可以積累更多感性認(rèn)識素材，有利于學(xué)生從實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)歸納，得出一般結(jié)論。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上從宏觀、微觀、符號、曲線四重表征視角詳細(xì)分析溶解過程，結(jié)合熱力學(xué)相關(guān)知識計(jì)算物質(zhì)溶解熱的文獻(xiàn)參考值和實(shí)驗(yàn)值，從定量角度幫助師生全面理解物質(zhì)溶解過程，建立科學(xué)認(rèn)識。

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

溶解過程的能量變化通過熱量表現(xiàn)出來，溫度計(jì)能夠直觀反映體系熱量變化的情況。本次實(shí)驗(yàn)使用不銹鋼溫度傳感器，通過曲線變化，直觀感受物質(zhì)溶解時的吸、放熱行為。

2.2實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)試劑： 去離子水、氫氧化鈉（AR）、氯化鈉（AR）、氯化鉀（AR）、氯化銨（AR）

實(shí)驗(yàn)儀器： 電腦、數(shù)據(jù)采集器、提存能手軟件（Logger Pro）、不銹鋼溫度傳感器（型號TMBBTA，量程-25～150℃）、磁力攪拌器、磁子、聚四氟乙烯反應(yīng)釜（100mL，帶蓋）、50mL移液管、電子天平

2.3試劑用量

溶解熱是以1mol溶質(zhì)溶于大量溶劑（通常是水）的焓變?yōu)闇?zhǔn)，對于A+B-型化合物，溶質(zhì)和溶劑的物質(zhì)的量之比為1∶500時溶劑即為大量溶劑，可忽略溶劑量對焓變的影響[3]，故本實(shí)驗(yàn)中稱取水5mol（90.00mL），溶質(zhì)0.0100mol（見表1）。

2.4實(shí)驗(yàn)過程

（1） 實(shí)驗(yàn)處于室溫環(huán)境，當(dāng)時室內(nèi)溫度在20.20℃。

（2） 按照所提供的實(shí)驗(yàn)藥品，計(jì)算0.0100mol物質(zhì)所對應(yīng)的質(zhì)量，然后用電子天平依次稱量。

（3） 由于本實(shí)驗(yàn)對反應(yīng)容器的絕熱性能有較高的要求，故本次實(shí)驗(yàn)采用帶蓋聚四氟乙烯反應(yīng)釜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將100mL反應(yīng)釜置于磁力攪拌器上。

（4） 提前準(zhǔn)備好蒸餾水保存在大容器內(nèi)，放置1天達(dá)到室溫，備用。

（5） 連接實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1）。用移液管量取90.00mL室溫下的蒸餾水注入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，放入磁子，打開磁力攪拌器。

（6） 開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集持續(xù)100秒，第一組實(shí)驗(yàn)作為空白對照。

（7） 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，重新加入90.00mL蒸餾水，并把0.400g（即0.0100mol）的NaOH緩慢加入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，蓋上蓋子，數(shù)據(jù)采集持續(xù)100秒。

（8） 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后清洗反應(yīng)釜，重新加入90.00mL蒸餾水，按照表1試劑質(zhì)量和順序更換下一種藥品，重復(fù)步驟（7），直到所有藥品采集結(jié)束。

（9） 保存數(shù)據(jù)。

（10） 清理儀器，回收藥品。

3結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄

實(shí)驗(yàn)過程溫度變化曲線如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2，表內(nèi)記錄了每組實(shí)驗(yàn)開始T1（0s）和實(shí)驗(yàn)結(jié)束T2（100s）時的溫度，其中ΔT0=T2-T1為實(shí)際溫差，由于攪拌會對體系做功，導(dǎo)致體系溫度略有上升，空白實(shí)驗(yàn)中蒸餾水經(jīng)過攪拌溫度升高了0.03℃。為矯正實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里的ΔT1是扣除攪拌影響后的實(shí)際溫差，ΔT1=T2-T1-0.03。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，物質(zhì)在溶解時幾乎都伴隨溫度的變化，溫差的正負(fù)和大小能夠反映物質(zhì)溶解過程的能量變化。NaCl溶解后溫度降低0.09℃，溶解過程吸收少量熱；NH4Cl、 KCl溶解過程降低0.35℃和0.42℃，溶解過程吸收較多的熱；而NaOH溶解后溫度升高了1.08℃，溶解過程釋放了大量的熱。

3.2理論分析

3.2.1溶解過程的四重表征分析

從宏微結(jié)合的角度看，人教版教材上對溶解過程如是描述：“蔗糖放進(jìn)水中后，很快就‘消失了，這是因?yàn)檫@蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水里擴(kuò)散，最終蔗糖分子均一地分散在水分子中間，形成一種混合物——蔗糖溶液。像這樣一種或幾種物質(zhì)分散到另一種物質(zhì)里，形成均一、穩(wěn)定的混合物的過程，叫做溶解。[4]”這是對溶解過程的宏觀描述和微觀解析，也是學(xué)生能夠基于生活經(jīng)驗(yàn)對溶解過程作出的最初理解。

從實(shí)驗(yàn)曲線看，因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)只是探究了溶解過程的溫度變化，所以能夠從曲線的上升和下降體會到溶解過程的吸熱和放熱行為。結(jié)合多組實(shí)驗(yàn)和教師講解，學(xué)生會明白物質(zhì)溶解時常常都會伴隨溫度的改變也就是能量的變化，這樣對溶解過程又有了進(jìn)一步的認(rèn)識。隨著認(rèn)識的深入，學(xué)生自然會產(chǎn)生認(rèn)知沖突： 溶解過程為什么會有溫度變化，這就需要我們一起探尋溶解過程的微觀本質(zhì)。

從溶解過程的本質(zhì)看，溶解是一種物質(zhì)（溶質(zhì)）分散在另一種物質(zhì)（溶劑）中形成溶液的過程，是復(fù)雜的“物理化學(xué)過程”。整個溶解過程通常包括多方面作用，一方面是溶質(zhì)與溶劑間的作用（釋熱），另一方面是拆開原先溶質(zhì)微粒間作用（吸熱）或溶劑微粒間作用（吸熱）。發(fā)生溶解時，這些過程同時存在，溶解熱就是這些過程能量方面的代數(shù)和[5]。因此在溶解過程中往往伴有熱量、體積和顏色的改變。

以學(xué)生熟悉的氯化鈉在水中溶解為例，當(dāng)氯化鈉晶體溶于水時，在水分子的作用下，外層鈉離子和氯離子會被水分子包圍發(fā)生水合過程，此過程釋放能量，然后水合鈉離子和水合氯離子會脫離氯化鈉晶體，此過程吸收能量，最后水合離子會擴(kuò)散到水中。由于整個過程吸收的熱量大于放出的熱量，所以氯化鈉溶于水溫度降低。其微觀示意圖如圖3所示。通過查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)由于分子力學(xué)和分子動力學(xué)的原因，不同分子或離子其周圍包裹的水分子數(shù)是有規(guī)律的，如配位數(shù)是偶數(shù)時水合陽離子的結(jié)構(gòu)較為合理。以鈉離子和氯離子來說，Na+·4H2O或Na+·6H2O和[Cl（H2O）6]-較為穩(wěn)定[6]。

用化學(xué)符號來表示溶解過程，以氯化鈉的電離為例： NaClNa++Cl-，這是高中階段需要掌握的電離方程式的書寫，在初中階段可以幫助學(xué)生理解溶解過程。

3.2.2溶解熱和稀釋熱

將溶質(zhì)B溶于溶劑A中或?qū)⑷軇〢加入溶液中都會產(chǎn)生熱效應(yīng)，此種熱效應(yīng)除了與溶劑及溶質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)外，還與系統(tǒng)所處的溫度及壓力有關(guān)，這兩種熱效應(yīng)通常又分為積分熱效應(yīng)和微分熱效應(yīng)。積分熱效應(yīng)是指將一定量的溶質(zhì)溶于一定量的溶劑中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)的總和，若是等壓過程，這一熱效應(yīng)就等于該過程的焓變。微分溶解熱是一個偏微分量，是指在溶液中加入dnA溶質(zhì)時所產(chǎn)生的微量熱效應(yīng)[7]。

本研究主要討論等壓過程的積分熱效應(yīng)即焓變。首先利用熱力學(xué)相關(guān)知識計(jì)算物質(zhì)溶解時能量變化的文獻(xiàn)參考值即標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熱，然后再通過實(shí)驗(yàn)中測得的溫度變化量，計(jì)算實(shí)驗(yàn)值，進(jìn)而得出本次實(shí)驗(yàn)的效率。

（1） 文獻(xiàn)參考值

標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熱ΔsolHθm是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位物質(zhì)的量的物質(zhì)（即1mol溶質(zhì)）溶于大量水中時的熱效應(yīng)，通過查閱資料得到如表3[8]所示的數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)過程保持一個大氣壓，常溫狀態(tài)，可以近似看成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。以NaCl為例，NaCl（s）Na+（∞aq）+Cl-（∞aq）

由于： ΔsolHθm=ΣνiHθm（生成物）-ΣνiHθm（反應(yīng)物）

故： ΔsolHθm[NaCl]=ΔfHθm[Na+（∞aq）]+ΔfHθm[Cl-（∞aq）]-ΔfHθm[NaCl（s）][9]

代入數(shù)據(jù)求得ΔsolHθm[NaCl]=3.874kJ·mol-1，以上計(jì)算可以得到1mol NaCl溶于大量水，理論上吸熱3.874kJ。同理，可求得其他物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，具體結(jié)果見表4。

（2） 實(shí)驗(yàn)值

根據(jù)公式ΔQ=cmΔt，可以利用物質(zhì)溶解前后溶液的溫度變化量來計(jì)算溶解熱，如NaCl，實(shí)驗(yàn)中將0.0100mol即0.585g NaCl溶于90.00mL水中，在溶解時，Δt=-0.09℃表示溶解吸熱，水的比熱容c=4.2×103J·kg-1·℃-1，在以下的計(jì)算中溶液的比熱用純水的比熱值來代替，因?yàn)橄啾冉^熱因素的影響來估計(jì)，其影響很小。代入公式計(jì)算得出ΔQ=0.034kJ。由此可以計(jì)算得0.0100mol NaCl溶于水將吸收熱量ΔQs=（1.00mol/0.0100mol）×ΔQ=3.4kJ，這里定義ΔQs為物質(zhì)溶于水之后體系吸收的熱量（kJ/mol），后續(xù)數(shù)據(jù)中吸熱ΔQs為正值，放熱ΔQs為負(fù)值。對比標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熱3.874kJ，可得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)偏差約為12%。同理，可求得其他物質(zhì)溶解熱的實(shí)驗(yàn)值和系統(tǒng)偏差，具體結(jié)果見表4。這里的ΔsolHθm（kJ·mol-1）是根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得到的文獻(xiàn)參考值。

由表4數(shù)據(jù)可得在溶解過程放熱的場合（即NaOH），實(shí)驗(yàn)測得放出熱量（-41kJ/mol）沒有達(dá)到放出的全部熱量（-44.505kJ/mol），另外約有3kJ/mol的熱量散發(fā)到環(huán)境中。在溶解過程吸熱的場合（即其他3個化合物），此時溶液溫度低于環(huán)境，顯然是因?yàn)閺沫h(huán)境吸收了一部分熱量，使得實(shí)驗(yàn)測得溶液的溫度沒有降低到應(yīng)該達(dá)到的那么低，也就是ΔQs正值不夠大。

以上對升溫、降溫的分析可知，本次實(shí)驗(yàn)儀器的絕熱性能較差，使得溫度升、降的絕對值達(dá)不到那么大，即溫度該升高時升不高，該降低時降不低。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，即升溫時溶液散發(fā)到環(huán)境的熱量（或降溫時從環(huán)境傳遞到溶液的熱量）大約是過程放熱（或吸熱）總量的7%～12%。這提醒教師在對本節(jié)內(nèi)容的授課過程中，對于測得溫度變化不明顯的物質(zhì)應(yīng)給予關(guān)注。

4總結(jié)

本研究更改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的酒精溫度計(jì)和燒杯，采用聚四氟乙烯反應(yīng)釜和精確度更高的溫度傳感器，目的是讓學(xué)生通過溫度曲線“看到”物質(zhì)溶于水的溫度變化，有助于日后建立正確的能量觀。理論分析部分通過對原理的解釋和計(jì)算得知，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件下，即使我們用精確度更高、絕熱性能更好的儀器，實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)偏差都在總能量變化的7%～12%。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，從溫度變化探究物質(zhì)溶解過程的吸熱、放熱現(xiàn)象，難免有一定的誤差，對于溶解過程本身能量改變較小的物質(zhì)，很有可能造成溶解過程溫度不變的誤解，從而導(dǎo)致一些錯誤觀念，廣大教師在教學(xué)過程中特別要提醒學(xué)生注意。

物質(zhì)變化觀是中學(xué)生應(yīng)該具備的化學(xué)基本觀念之一，而化學(xué)變化的過程往往伴隨能量的變化，能量觀在物質(zhì)變化中占有舉足輕重的地位。本研究從學(xué)生常見的溶解現(xiàn)象入手，通過溶解過程的能量變化可以很好地啟蒙學(xué)生建立正確的能量觀，幫助學(xué)生從能量的視角觀察、認(rèn)識事物，感受實(shí)驗(yàn)過程，有利于逐步建立學(xué)科核心素養(yǎng)[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1][6]田長明.對初中化學(xué)教材一幅“溶解過程”示意圖的研究與思考[J].化學(xué)教學(xué)， 2016，（8）： 23～26.

[2][3][5]嚴(yán)宣申.溶解過程的熱效應(yīng)[J].化學(xué)教育， 2007， 28（5）： 59.

[4]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級下冊）[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 26～27.

[7][8][9]南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院等.物理化學(xué)（第五版）（下冊）[M].北京： 高等教育出版社， 2014.

[10]畢華林，萬延嵐.化學(xué)基本觀念： 內(nèi)涵分析與教學(xué)建構(gòu)[J].課程·教材·教法， 2014， 34（4）： 76～83.