基于智能手機(jī)溫度傳感比較有機(jī)物分子間作用力大小

王 旭，柴紅梅*，范 廣，張 惠

(1.延安大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000； 2.咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽 712000；3.安塞高級中學(xué)，陜西 安塞 717400)

分子間作用力是指分子與分子之間、高分子化合物官能團(tuán)之間或惰性氣體原子間的相互作用力，其主要包括范德華力、氫鍵以及其他非共價(jià)鍵[1]。由于分子間作用力屬于微觀概念，看不見、摸不著，只能想象，所以對于學(xué)生來說，理解這一概念難度較大。根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映其結(jié)構(gòu)，齊紅濤等[2]通過對不同物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)的分析，比較了分子之間作用力，此方法雖然思路清晰，核心內(nèi)容明確，可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯能力，但是對于基礎(chǔ)差的學(xué)生依舊有很大的難度，不利于分子間作用力概念的學(xué)習(xí)。錢揚(yáng)義課題組[3-4]、弓弦[5]、周萍等[6]利用溫度傳感器連接顯示器，通過測量有機(jī)物蒸發(fā)時(shí)溫度的變化，分析比較有機(jī)物分子間作用力的大小，雖然直觀、簡單易操作，但是所用溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集器價(jià)格昂貴，不利于條件較差的學(xué)校進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)。

隨著科技和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能手機(jī)由于具備獨(dú)立的操作系統(tǒng)[7]、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、多種傳感器及可安裝使用第三方軟件，其功能日益強(qiáng)大，使用日益廣泛，普及程度高。將手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道已有很多，比如光傳感器[8]、圖像傳感[9]、壓力傳感器[10]等，但是未見使用溫度傳感的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用智能手機(jī)的溫度傳感器和第三方測溫軟件App，以及相應(yīng)的測溫伴侶，通過測量有機(jī)物在蒸發(fā)時(shí)溫度隨時(shí)間的變化率，比較了甲醇、乙醇和正丙醇分子之間，正丙醇和異丙醇分子之間，正丁醇和乙醚分子之間，甲酸、乙酸和丙酸分子之間作用力大小的關(guān)系，旨在建立一種便攜、直觀、簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方法，加深學(xué)生對分子之間作用力相關(guān)知識的理解，以降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對物質(zhì)的宏觀變化與微觀性質(zhì)之間的聯(lián)系的認(rèn)識，能從物質(zhì)的宏觀變化出發(fā)，推理出物質(zhì)的微觀性質(zhì)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析以及證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

蒸發(fā)是發(fā)生在液體表面的汽化過程，并且在任何溫度下都可以進(jìn)行。從微觀角度分析，液體表面的分子掙脫液體進(jìn)入空氣中，需要消耗一定的能量，來克服分子之間的相互作用力。當(dāng)液體分子之間的作用力越小，單位時(shí)間內(nèi)掙脫液體，進(jìn)入空氣中的分子就越多，則液體消耗的能量就越多，宏觀表現(xiàn)為液體在單位時(shí)間內(nèi)溫度的下降越大。

1.2 主要儀器和試劑

儀器：智能手機(jī)，玻璃棒，燒杯，鐵架臺，智能溫度測量統(tǒng)計(jì)伴侶等。試劑：甲醇和乙醇(天津市富宇精細(xì)化工有限公司)；正丙醇、異丙醇、正丁醇和乙醚(麥克林公司)；甲酸、乙酸和丙酸(阿拉丁公司)。所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先在手機(jī)應(yīng)用商店中，查找“智能溫度測量統(tǒng)計(jì)”軟件，下載并安裝，并購買價(jià)格78元的測溫伴侶，見圖1A。剪取相同長度、寬度的紗布27塊，同時(shí)在紗布上抽取等長的紗線27根。在燒杯中分別量取適量體積的甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、乙醚、甲酸、乙酸以及丙酸溶液，高度高于紗布的寬度即可。然后在玻璃棒的一端裹上紗布，并用紗線將紗布綁緊以防掉落。將測溫伴侶與智能手機(jī)相連接，并固定于手機(jī)支架上，提前調(diào)整手機(jī)支架高度和方向，使裹有紗布的玻璃棒一端距離測溫伴侶3 cm處，提前將軟件界面調(diào)至表面模式，如圖2所示。將裹有紗布一端的玻璃棒放入待測溶液中5 s后，迅速將玻璃棒移至提前調(diào)整好的鐵架臺處固定，然后點(diǎn)擊軟件界面的開始按鈕，每隔1 s測1次紗布處的溫度，當(dāng)溫度下降至不再變化，停止測溫。每個(gè)樣品平行測定3次。數(shù)據(jù)測量結(jié)果界面如圖3所示。最后將所得的數(shù)據(jù)用微信或QQ發(fā)至電腦，繪制T～t曲線。

圖2 智能溫度測量統(tǒng)計(jì)軟件界面

圖3 數(shù)據(jù)測量結(jié)果界面

2 結(jié)果與討論

2.1 同系物分子間作用力大小比較

甲醇、乙醇、丙醇屬于一元醇同系物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在起始位置溫度本應(yīng)相同，均是室溫，但是曲線出現(xiàn)了微小差異，這是因?yàn)楫?dāng)沾有醇類液體的玻璃棒，在迅速提起的過程中，不同醇的分子間作用力不同，蒸發(fā)速率不同，導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)的起始溫度略有不同。由曲線的變化幅度可以看出甲醇的變化率最大，其次是乙醇，最后才是丙醇，說明甲醇分子掙脫液體表面分子對其束縛力最小，所需要的能量最小，進(jìn)入空氣中的數(shù)量最多，表明甲醇分子之間作用力最小，其次是乙醇，最后是丙醇。

圖4 醇類物質(zhì)蒸發(fā)時(shí)溫度變化曲線

甲酸、乙酸和丙酸屬于一元羧酸同系物，其溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖5所示?？梢钥闯?，甲酸溫度隨時(shí)間變化幅度最大，其次是乙酸、丙酸，說明甲酸分子掙脫液體表面分子對其束縛力最小，所需要的能量最小，進(jìn)入空氣中的數(shù)量最多，分子之間作用力最小，其次是乙酸，最后是丙酸。

圖5 羧酸類物質(zhì)蒸發(fā)時(shí)溫度變化曲線

2.2 同分異構(gòu)體分子間作用力大小比較

正丙醇和異丙醇屬于位置異構(gòu)的同分異構(gòu)體，由于官能團(tuán)羥基所連碳原子的位置不同，導(dǎo)致他們的溶點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解性以及反應(yīng)活性等性質(zhì)產(chǎn)生差異。由圖4中曲線變化幅度可以看出，異丙醇液體蒸發(fā)時(shí)溫度下降的速度大于正丙醇液體，即在相同條件下，異丙醇分子掙脫液體表面束縛進(jìn)入空氣中的數(shù)量大于正丙醇分子，因此可以得出正丙醇分子間作用力大于異丙醇分子間作用力。

正丁醇和乙醚是屬于官能團(tuán)異構(gòu)的同分異構(gòu)體，由于官能團(tuán)的差異，正丁醇和乙醚的物理性質(zhì)有巨大的差異。正丁醇和乙醚的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖6，在相同條件下蒸發(fā)，初始溫度應(yīng)該相等，但由于乙醚蒸發(fā)速度快，溫度下降迅速，因此乙醚與正丙醇的曲線初始高度不同。而且，乙醚溫度隨時(shí)間迅速下降，在降至最低處時(shí)，溫度開始回升，這是因?yàn)橐颐颜舭l(fā)完全后，裹在玻璃棒上的紗布不再沾有乙醚，溫度開始逐漸恢復(fù)至室溫，而正丁醇溫度隨時(shí)間緩慢下降。可見雖然正丁醇與乙醚是同分異構(gòu)體，分子量相同，但是乙醚的溫度在蒸發(fā)時(shí)隨時(shí)間變化速率遠(yuǎn)大于正丁醇，這說明乙醚分子掙脫液體表面分子對其束縛力很小，所需要的能量很小，進(jìn)入空氣中的數(shù)量很多。因此，其分子之間作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正丁醇分子間作用力。

圖6 正丁醇和乙醚蒸發(fā)時(shí)溫度變化曲線

2.3 分子間作用力分析比較

分子間作用力主要包括范德華力和氫鍵，范德華力又包括色散力、取向力和誘導(dǎo)力。色散力的大小可以用極化率來表示，極化率越大，色散力越大[11]。由表1極化率數(shù)據(jù)可見，甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇4種一元醇的色散力依次增大，正丁醇的色散力雖然大于乙醚的色散力，但二者大小非常接近；甲酸、乙酸和丙酸的色散力依次增大。取向力存在于極性分子之間，是極性分子的電偶極相互作用，使極性分子的正負(fù)極相對，電偶極之間的相互作用力就是極性分子之間取向力。取向力的大小可以用偶極矩來表示[11]，由表1偶極矩?cái)?shù)據(jù)可見，甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇4種一元醇的取向力基本相等；正丁醇的取向力大于乙醚的取向力；甲酸與丙酸的取向力相等，略大于乙酸的取向力。誘導(dǎo)力對范德華力的貢獻(xiàn)很小[4]，可見在范德華力中色散力的影響最大。

表1 各物質(zhì)的極化率[3，12]和偶極矩[13]

氫鍵表示為：X—HY……Y，是由一個(gè)電負(fù)性很大的X原子與H結(jié)合，同時(shí)吸引一個(gè)電負(fù)性很大而半徑小的Y原子，X與Y可以是同種原子，也可以是不同種原子[14]。由于氫鍵具有方向性和飽和性，而一元醇中能與醇羥基上的H結(jié)合形成氫鍵的，只有其他分子的醇羥基上的O，所以在甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇中，產(chǎn)生的氫鍵數(shù)目和強(qiáng)弱基本一致。在正丁醇與乙醚中，由于正丁醇之間可以形成氫鍵，乙醚不能形成分子間的氫鍵[15]。甲酸、乙酸、丙酸均屬于一元酸，氫鍵主要是羥基氫與其他分子之間形成的分子間氫鍵。

綜上所述，比較甲醇、乙醇、異丙醇和正丙醇4種一元醇的分子間作用力大小，因取向力和氫鍵大小基本相同，誘導(dǎo)力很小，因此，主要比較色散力的大小，故4種一元醇的分子間力大小依次為正丙醇>異丙醇>乙醇>甲醇。在正丁醇與乙醚的比較中，由于正丁醇與乙醚的色散力大小接近，正丁醇分子間可以形成氫鍵，乙醚分子間不能形成氫鍵，故正丁醇分子間作用力大于乙醚分子間作用力。甲酸、乙酸和丙酸中，色散力是范德華力的主要貢獻(xiàn)者且依次增大，取向力基本相等，由于氫鍵的飽和性和方向性，使一元酸之間形成的分子間氫鍵大致相等，故3種一元酸的分子間力大小依次是丙酸>乙酸>甲酸。

3 結(jié)論

利用智能手機(jī)溫度傳感，比較測量有機(jī)物蒸發(fā)時(shí)溫度的變化，發(fā)現(xiàn)：同系物中，隨著碳鏈增長，分子間作用力依次增大；位置異構(gòu)的同分異構(gòu)體中，支鏈越少，分子間作用力越大；正丁醇與乙醚官能團(tuán)異構(gòu)的同分異構(gòu)體中，正丁醇分子間作用力大于乙醚分子間作用力。以上實(shí)驗(yàn)是對有機(jī)物分子間作用力大小進(jìn)行定量比較，將定性的概念轉(zhuǎn)化為定量的分析，通過智能手機(jī)溫度傳感的應(yīng)用，增加了化學(xué)教學(xué)的多樣性，降低了化學(xué)教學(xué)的難度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。