基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究分子間作用力和氫鍵存在的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

戈益超 魏魏

一、問(wèn)題提出

常規(guī)教學(xué)中認(rèn)識(shí)影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)的因素，主要是從分子間作用力和氫鍵兩方面入手，但是由于高中階段學(xué)生還未接觸分子間作用力相關(guān)的概念，如分子極性、極化率等，無(wú)法從微觀層面科學(xué)地理解和比較不同分子的分子間作用力大小，因此大多數(shù)學(xué)生只能將該規(guī)律死記硬背，教師在這方面教學(xué)也是一帶而過(guò)。那么如何讓學(xué)生能夠直觀地感受分子間作用力和氫鍵對(duì)物質(zhì)熔沸點(diǎn)的影響呢？

二、實(shí)驗(yàn)原理

基于有機(jī)物的熔沸點(diǎn)主要是由物質(zhì)的分子間作用力決定，而分子間作用力是分子與原子之間的靜電作用。而在其他條件相同的情況下，液體分子間的作用力越小，該液體越易揮發(fā)，蒸發(fā)時(shí)溫度下降更多更快。故采用溫度傳感器測(cè)定有機(jī)物揮發(fā)造成溫度下降快慢的方式來(lái)感受分子間作用力對(duì)有機(jī)物沸點(diǎn)的影響。實(shí)驗(yàn)直觀、耗時(shí)短且可重復(fù)性強(qiáng)。

三、實(shí)驗(yàn)用品

儀器：電腦、威尼爾牌溫度傳感器、高溫溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、燒杯、熔點(diǎn)管、紗布。

藥品：乙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇、叔丁醇、鄰羥基苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸。

四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1：探究相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分子間作用力的影響

實(shí)驗(yàn)方案：本實(shí)驗(yàn)采用同系物醇（乙醇、正丙醇、正丁醇）類作為實(shí)驗(yàn)載體，通過(guò)測(cè)定揮發(fā)過(guò)程中溫度下降快慢來(lái)判斷分子質(zhì)量對(duì)分子間作用力的影響。用量筒量取等量（約20mL）的乙醇、正丙醇、正丁醇，分別倒入3個(gè)相同的小燒杯中，將卷著白紗布（增加蒸發(fā)面積）的溫度探頭分別同時(shí)浸入三個(gè)燒杯中，經(jīng)過(guò)5s，同時(shí)將溫度計(jì)探頭提起，平行放在實(shí)驗(yàn)架上，觀察溫度讀數(shù)變化（此時(shí)將燒杯移開(kāi)，避免影響檢測(cè)）。在相同條件下，進(jìn)行多次檢測(cè)，完成實(shí)驗(yàn)，并比較和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論：蘸有三種物質(zhì)的傳感器溫度變化如圖所示，其中乙醇降低最快，正丁醇降低最慢。從而得出結(jié)論，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于組成和結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)越高。

實(shí)驗(yàn)2：探究支鏈對(duì)分子間作用力的影響

實(shí)驗(yàn)方案：綜合考慮實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后我們選擇了分子質(zhì)量相同的且含有羥基的三種醇，即正丁醇、異丁醇、叔丁醇作為測(cè)定對(duì)象，重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)，通過(guò)傳感器測(cè)定三種醇蒸發(fā)時(shí)溫度變化規(guī)律，從而可以得出分子間作用力影響因素。

從上圖可以看出叔丁醇的溫度降得最快，即叔丁醇內(nèi)克服分子間作用力最小，反之正丁醇分子間作用力最大。因此，對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量相同且結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物，支鏈越多，熔沸點(diǎn)越低。

實(shí)驗(yàn)3：基于同分異構(gòu)體探究氫鍵的存在

實(shí)驗(yàn)方案：我們選擇了分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵的物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考慮到物質(zhì)的常見(jiàn)性和實(shí)驗(yàn)的可行性，我們選擇了鄰、對(duì)羥基苯甲酸作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)出利用高溫傳感器，來(lái)觀測(cè)兩種物質(zhì)在熔化時(shí)溫度的變化。但是如果直接放置空氣中加熱測(cè)量熔點(diǎn)，很快就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而無(wú)法測(cè)定熔點(diǎn)。后來(lái)想到采用封閉試管中加熱，但是效果也不明顯。最后改進(jìn)為熔點(diǎn)管測(cè)定法，采用硅油作熱介質(zhì)，既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的安全性，也增加了實(shí)驗(yàn)的可比性。

結(jié)論：在影響物質(zhì)熔沸點(diǎn)等其他外界條件相同的情況下，不同類型的氫鍵對(duì)物質(zhì)的熔沸點(diǎn)影響不同，其中存在分子內(nèi)氫鍵的物質(zhì)熔沸點(diǎn)低于存在分子間氫鍵的物質(zhì)。

五、創(chuàng)新和收獲

首先，本實(shí)驗(yàn)在相同條件下利用手持技術(shù)測(cè)量不同液體蒸發(fā)時(shí)溫度的變化曲線，促進(jìn)學(xué)生在微觀層面科學(xué)地理解和比較不同分子的分子間作用力，進(jìn)而能夠得出分子間作用力影響規(guī)律。

其次，本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與理論相符，而且數(shù)據(jù)重現(xiàn)性高，操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，適合學(xué)生課外活動(dòng)。為“分子間作用力影響物質(zhì)熔沸點(diǎn)”提供有效且易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)手段。

最后，本實(shí)驗(yàn)采用室溫下易蒸發(fā)的且毒性很小的物質(zhì)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)有利于減小毒害性，采用熔點(diǎn)管測(cè)定氫鍵影響實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了安全性和對(duì)比性。

注：本文為安徽省教育規(guī)劃辦省級(jí)課題《基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究》研究成果，課題編號(hào)：JK17047。

編輯 李博寧