借助溫度傳感器實驗比較有機物分子間作用力的大小

王春

摘要： 以TQVC概念認知模型為理論依據，借助溫度傳感器實驗測定有機物在相同條件下蒸發(fā)時的溫度變化曲線圖像，能幫助學生直觀地形成表象，促進分子間作用力抽象概念的科學建構，加深學生對同系物和同分異構體等概念內涵的深度理解。

關鍵詞： 手持技術; 抽象概念; 分子間作用力; 實驗設計

文章編號： 10056629（2022）01005605

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

分子間作用力和氫鍵是現行高中化學選擇性必修《物質結構與性質》中的重要概念，因上述概念涉及的抽象內涵不易被直接感知，且在傳統(tǒng)教學中教師難以通過實驗案例啟發(fā)學生思考，導致學生對該概念的理解主要停留在定性規(guī)律的機械記憶上。如對于組成和結構相似的物質，相對分子質量越大，分子間作用力越大。但對于相對分子質量相等的物質，根據以上規(guī)律無法判斷其分子間作用力的大小，學生難以科學感知與建構較為清晰的化學概念。手持技術數字化實驗因其具有定量化和可視化特點，可作為認知工具幫助學生克服化學概念學習中的認知難點，使他們在現有認知發(fā)展水平上科學感知與有效建構抽象化概念。

本研究選取中學化學常見的有機物運用手持技術設計數字化實驗，通過測定常見烷烴、醇類在相同條件下蒸發(fā)時的溫度變化曲線與可視化實驗現象讓學生感知分子間作用力的存在，掌握分子間作用力和氫鍵對物質熔沸點產生影響的規(guī)律，并加深學生對同系物和同分異構體概念的深度理解。

2 實驗設計

2.1 實驗設計理論基礎

TQVC概念認知模型是以認知建構主義學習理論為基礎，以手持技術為技術支持，包含轉化（Transformation）量化感知（Quantitative Perception）視覺感知（Visual Perception）比較（Compare）四個認知過程[1]。本研究基于TQVC概念認知模型來設計實驗，將不可測量的微觀抽象概念“分子間作用力”與可測量的宏觀概念“溫度”建立聯(lián)系，兩者關系如下： 宏觀層面，分子間作用力越大，蒸發(fā)過程越困難。微觀層面，蒸發(fā)時液體表面的分子克服分子間作用力脫離液體表面，導致剩余液體能量降低，表現為液體溫度下降。因此，借助手持技術數字化實驗能實時、精確地測量典型液態(tài)烷烴和醇類蒸發(fā)過程中的溫度變化，讓學生量化感知溫度數據，視覺感知溫度曲線圖像，最后通過比較圖像中曲線的下降速率來比較同系物和同分異構體的分子間作用力大小，從而科學建構“分子間作用力”概念，深度理解同系物和同分異構體的特點，具體設計思路如圖1所示[2， 3]。

2.2 實驗設計研究內容

2.2.1 實驗儀器及試劑

儀器： 威尼爾LABQUEST2數據采集器、溫度傳感器、50mL燒杯、10mL量筒、膠頭滴管、濾紙、橡皮圈

試劑： 正己烷（分析純）、正庚烷（分析純）、甲醇（分析純）、乙醇（分析純）、正丙醇（分析純）、正丁醇（分析純）、異丁醇（分析純）、叔丁醇（分析純）、乙醚? （分析純）

2.2.2 實驗原理

液態(tài)或凝聚態(tài)物質在蒸發(fā)過程中，動能較大的分子會從體系中逸出，逸出的分子需克服表層分子對其的吸引作用而做功，若環(huán)境無法及時給體系補充能量，導致體系的溫度降低，溫度降低的大小和快慢與分子間作用力的強弱有關。借助圖2所示裝置用溫度傳

感器蘸取不同液態(tài)烷烴、醇類等待測樣品放置在空氣中進行蒸發(fā)，通過不同物質在相同條件下蒸發(fā)時溫度降低的幅度大小（溫差）來比較分子間作用力的大小[4，5]。

2.2.3 實驗步驟

本實驗在溫度（23.5℃）、相對濕度（56%）、大氣壓（1.01×105Pa）、空氣流速等外界條件相同的通風櫥中進行，具體實驗內容及實驗步驟如下：

實驗1 正己烷和正庚烷的蒸發(fā)

（1） 組裝實驗儀器： 按照圖2所示裝置示意圖，將計算機、數據采集器、溫度傳感器三者相連接，打開LoggerPro 3.16.2軟件。

（2） 準備溫度傳感器： 用橡膠圈固定濾紙（3cm×0.5cm）于溫度傳感器測量端，然后將2個溫度傳感器按順序固定在圖2所示實驗臺上。

（3） 量取實驗試劑： 分別取2個50mL的燒杯，在燒杯中分別裝入10mL正己烷、10mL正庚烷（保持液體的液面高度相同，即浸潤探頭的高度一致）。

（4） 開啟數據采集器： 設置數據采集參數，速率設為1個/s，樣本設為連續(xù)（連續(xù)不斷采集數據，直到人為停止），點擊數據采集器，2個溫度探頭開始測定環(huán)境溫度。

（5） 浸入有機試劑： 提起實驗臺上的溫度傳感器探頭1和2，分別將探頭尖端部分同時浸入正己烷和正庚烷中使濾紙吸附待測液體，待溫度示數穩(wěn)定后開始采集數據，約10s后，取出溫度傳感器水平置于實驗臺上，觀察溫度讀數的變化。

（6） 停止實驗： 待2個溫度傳感器讀數均較穩(wěn)定后，點擊“停止”按鈕，停止采集，并保存實驗數據。

在相同條件下，重復上述步驟2次，完成3組平行實驗，并比較和分析實驗結果，得到最佳實驗數據曲線如圖3所示。

實驗2 甲醇、乙醇和正丙醇的蒸發(fā)

分別取3個50mL的燒杯，在燒杯中分別裝入10mL甲醇、10mL乙醇和10mL正丙醇，對照完成實驗1中實驗操作步驟，在相同條件下，重復上述步驟2次，完成3組平行實驗，并比較和分析實驗結果，得到最佳實驗數據曲線如圖4所示。

實驗3 正丁醇、異丁醇和叔丁醇的蒸發(fā)

分別取3個50mL的燒杯，在燒杯中分別裝入10mL正丁醇、10mL異丁醇和10mL叔丁醇，對照完成實驗1中實驗操作步驟，在相同條件下，重復上述步驟2次，完成3組平行實驗，并比較和分析實驗結果，得到最佳實驗數據曲線如圖5所示。

實驗4 正丁醇和乙醚的蒸發(fā)

分別取2個50mL的燒杯，在燒杯中分別裝入10mL正丁醇、10mL乙醚，對照完成實驗1中實驗操作步驟，在相同條件下，重復上述步驟2次，完成3組平行實驗，并比較和分析實驗結果，得到最佳實驗數據曲線如圖6所示。

2.2.4 實驗注意事項

該實驗具有較強的課堂操作性和可重復性，但仍有一些影響實驗成功的因素，筆者對之進行簡要說明：

（1） 本文用實驗探究對比了溫度傳感器的探頭直接測溫和包裹了濾紙的探頭測溫的差異。所用溫度傳感器的探頭上用橡皮圈包裹了濾紙蘸取有機物溫度下降的速率大于溫度傳感器的探頭上未包裹材料，實驗效果更好，但每次實驗包裹探頭的濾紙的狀況（如包裹表面積、包裹形狀、橡皮圈包扎的方式等）應大致相同。

（2） 應選取相同量程的燒杯，且保證10mL液體倒入各個燒杯后，其液面處于同一水平線上，否則溫度傳感器探頭浸入后附著在探頭上液體量不同，會對實驗結果造成影響。

（3） 每次實驗應盡可能保證實驗臺上的溫度傳感器探頭浸入液體中的高度和浸潤時間相同，蘸取液體后應水平靜置進行實驗。

3 實驗分析及結論

本研究結合烷烴和醇類同系物及醇類同分異構體蒸發(fā)的溫度隨時間變化實驗數據曲線，從宏觀現象和微觀本質的視角對實驗結果進行剖析，引導學生從本質上理解化學概念和實驗原理，最終提高學生的化學學科核心素養(yǎng)。

3.1 烷烴類和醇類同系物實驗分析

由圖3和圖4數據曲線可知，在相同條件下，兩種烷烴同系物和三種醇類同系物蒸發(fā)時溫度變化的速率各不相同，其順序為： 正己烷>正庚烷，甲醇>乙醇>正丙醇，雖然上述烷烴和醇類均屬于同系物，各自類別的組成結構相似，但因為相對分子質量的不同，其分子間作用力也會產生相應的差異。具體溫度—時間變化曲線的分析見表1。

3.2 醇類位置異構和官能團異構實驗分析

由圖5和圖6數據曲線可知，在相同條件下，三種醇類位置異構體和正丁醇與乙醚兩種官能團異構體蒸發(fā)時溫度變化的速率各不相同，其順序為： 叔丁醇>異丁醇>正丁醇，乙醚>正丁醇。雖然上述醇和醚均屬于同分異構體，各物質的分子式和相對分子質量相同，但因其分子結構的不同，分子間作用力也會產生相應的差異。具體溫度—時間變化曲線的分析見表2。

3.3 實驗結論

本研究借助手持技術數字化實驗手段對常見烷烴、醇類同系物、醇的同分異構體以及醇和醚同分異構體蒸發(fā)時溫度隨時間的變化進行實驗探究，并結合相關實驗數據曲線分析，歸納提煉出以下結論：

（1） 手持技術數字化實驗支持下，“分子間作用力”會影響由分子構成的物質的蒸發(fā)過程，分子間作用力越大，宏觀體現為蒸發(fā)過程越困難。蒸發(fā)導致剩余液體能量降低，表現為液體溫度下降。因此，可以用可測量的“溫度”變化來證明不可測量的微觀抽象概念“分子間作用力”的存在。

（2） 對于烷烴和醇類同系物，其分子間作用力大小規(guī)律可用相對分子質量大小來判斷，當其他條件相同時，同系物的相對分子質量越大，分子間作用力越強。

（3） 對于醇類位置異構的同分異構體，其分子間作用力大小規(guī)律可用空間位阻來判斷，微觀結構中的空間位阻越大，分子間作用力越小;對于醇類官能團異構的同分異構體，其分子間作用力大小規(guī)律可用氫鍵來判斷，醇能形成氫鍵，而醚不能，故醇的分子間作用力比醚的更強。

總之，手持技術數字化實驗所提供的常見有機物在相同條件下蒸發(fā)時的溫度曲線圖像能有效地幫助學生直觀地形成表象，促進“分子間作用力”等抽象概念的科學建構，加深對同系物和同分異構體概念內涵的深度理解，較好地發(fā)展了學生的宏觀辨識與微觀探析及證據推理的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]王西宇， 錢揚義， 黃樂顯. 應用手持技術數字化實驗比較“丙二醇的兩種同分異構體”分子間作用力大小[J]. 化學教育， 2020， 41（17）： 86～91.

[2]王立新， 錢揚義， 蘇華虹等. 手持技術數字化實驗與化學教學的深度融合： 從“研究案例”到“認知模型”——TQVC概念認知模型的建構[J]. 遠程教育雜志， 2018， 36（4）： 104～112.

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[7]林丹萍， 錢揚義， 王立新等. 手持技術數字化實驗支持下的抽象化學概念學習——以探究比較丁醇同分異構體的分子間作用力大小為例[J]. 化學教育， 2020， 41（1）： 74～78.

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[8]白濤， 冉甜， 謝樂欣. 基于溫差測量的數字化實驗兩則[J]. 化學教學， 2017， （12）： 54～55.