利用溫度傳感器測定中和反應(yīng)的反應(yīng)熱

湖北省宜昌市夷陵中學(xué)(443000) 成昌華

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是將現(xiàn)代化信息技術(shù)手段與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的融合創(chuàng)新。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成[1]。利用傳感器對一些微小和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行測定，將采集到的各種信號通過計(jì)算機(jī)軟件分析處理，以圖像、圖表等直觀的形式呈現(xiàn)出來，從而使得高中的一些定量實(shí)驗(yàn)可視化[2-3]，讓學(xué)生對高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)有更加深刻的理解。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處置快速、連續(xù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可以實(shí)時展示。

中和反應(yīng)的反應(yīng)熱測定實(shí)驗(yàn)是高中階段化學(xué)典型的定量測定實(shí)驗(yàn)之一，它是人教版選擇性化學(xué)必修1第1章第1節(jié)“反應(yīng)熱”內(nèi)容。本文通過對“中和反應(yīng)的反應(yīng)熱的測定”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，利用磁力攪拌器代替玻璃攪拌器，使得攪拌更充分且節(jié)省人力；再運(yùn)用溫度傳感器代替溫度計(jì)測量溫度變化，利用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，繪制“溫度—時間”圖像，省去實(shí)驗(yàn)者一直注視溫度計(jì)讀取反應(yīng)后溫度的過程，直接獲取最高實(shí)驗(yàn)溫度，數(shù)據(jù)更精確更直觀。

1 實(shí)驗(yàn)原理

中和反應(yīng)是典型的放熱反應(yīng)之一。中和反應(yīng)的反應(yīng)熱是指在稀溶液中，酸與堿完全發(fā)生中和反應(yīng)生成1 mol H2O所釋放的熱量。對于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，它們在水溶液中完全電離，其實(shí)質(zhì)是H+和OH-的反應(yīng)，因此該類反應(yīng)的中和熱與酸的陰離子和堿的陽離子無關(guān)，任何強(qiáng)酸與強(qiáng)堿稀溶液中和反應(yīng)的反應(yīng)熱都是相同的，即H+(aq) + OH-(aq)=H2O(l)，ΔH= -57.3 kJ/mol。

在絕熱環(huán)境中，中和反應(yīng)放出的熱量會使得體系的溫度升高，利用公式Q放=cmΔt進(jìn)行計(jì)算中和反應(yīng)放出的熱量。實(shí)驗(yàn)室用50 mL 0.50 mol/L鹽酸和50 mL 0.55 mol/L NaOH溶液反應(yīng)，推導(dǎo)中和反應(yīng)的反應(yīng)熱的計(jì)算式過程如下：

由于酸堿均為稀溶液，因此近似當(dāng)作水溶液進(jìn)行處理，即50 mL質(zhì)量近似為50 g，溶液的比熱容近似為水的比熱容,即4.18 J/(g·℃)。由于NaOH溶液過量，以鹽酸中HCl的物質(zhì)的量計(jì)算n(H2O)=0.025 mol，反應(yīng)熱的單位為kJ/mol，將這些條件帶入上面計(jì)算式整理得

ΔH= - 0.418(t2-t1)/0.025

此計(jì)算式中t2為酸堿反應(yīng)后溶液達(dá)到的最高溫度，t1為酸堿初始溫度平均值，可以看出本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測出反應(yīng)前后的溶液溫度。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

量熱計(jì)、溫度計(jì)、量筒(50 mL)2個、濾紙、燒杯、磁力攪拌器、溫度傳感器(LAB-PORT2型)、數(shù)據(jù)處理器、計(jì)算機(jī)(已安裝Logger Pro軟件)、0.50 mol/L鹽酸、0.55 mol/L NaOH溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)連接溫度傳感器、處理器及電腦，點(diǎn)擊電腦桌面的Logger Pro軟件圖標(biāo)，啟動程序，設(shè)置0.5 s讀取一次數(shù)據(jù)，總時間設(shè)置為180 s。

(2)用量筒量取50 mL 0.55 mol/L NaOH溶液，用溫度傳感器測量并記錄NaOH溶液的溫度，用水把溫度傳感器上的堿沖洗干凈，并用濾紙擦干。

(3)用另一個量筒量取50 mL 0.50 mol/L鹽酸，打開杯蓋，倒入量熱計(jì)的內(nèi)筒，蓋上杯蓋，開啟磁力攪拌器，調(diào)節(jié)攪拌速率，插入溫度傳感器測量并記錄鹽酸的溫度，將鹽酸和氫氧化鈉溶液的初始溫度的平均值記為t1。

(4)將量筒中的NaOH溶液迅速倒入量熱計(jì)的內(nèi)筒，立即蓋上杯蓋，插入溫度傳感器，用玻璃攪拌器勻速攪拌，打開Logger Pro軟件窗口，點(diǎn)擊“采集”按鈕，獲取最高溫度記為反應(yīng)后體系的溫度t2。

(5)洗凈實(shí)驗(yàn)儀器，擦干溫度傳感器和磁力攪拌器磁子，重復(fù)(2)、(3)、(4)操作2～3次，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集表格中計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將3次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在表1中，分別計(jì)算初始酸堿的平均溫度及溫度差，分別計(jì)算中和反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值再取平均值，本實(shí)驗(yàn)測得中和反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值的平均值為54.62 kJ/mol，將第2次實(shí)驗(yàn)時Logger Pro軟件界面顯示截圖如圖2所示。

表1 中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定數(shù)據(jù)記錄表

圖2 Logger Pro軟件界面顯示截圖

從圖2可以看出加入氫氧化鈉溶液后反應(yīng)在3 s左右溫度可以達(dá)到最大值，說明在本實(shí)驗(yàn)條件下中和反應(yīng)速率快，3 s左右反應(yīng)即可結(jié)束；同時最高溫度在100 s內(nèi)下降約0.1 ℃，說明量熱計(jì)的絕熱保溫效果較好。

本實(shí)驗(yàn)測量值低于理論數(shù)值(57.3 kJ/mol)，主要原因可能有：①實(shí)驗(yàn)操作中會有熱量損失，例如量熱計(jì)蓋子蓋的不及時或不嚴(yán)；②溫度傳感器為不銹鋼材質(zhì)，會導(dǎo)出熱量而損耗；③量取鹽酸、氫氧化鈉溶液體積時使用量筒本身誤差較大，且鹽酸、氫氧化鈉溶液濃度未進(jìn)行標(biāo)定；④將鹽酸、氫氧化鈉溶液近似為水處理在質(zhì)量上有誤差，將水的比熱容代替混合溶液的比熱容也會造成一定誤差。因此，要提高本實(shí)驗(yàn)精確度可以標(biāo)定鹽酸和氫氧化鈉溶液的濃度，用移液管代替量筒準(zhǔn)確確定添加溶液體積等。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)采用溫度傳感器測定了強(qiáng)酸與強(qiáng)堿的稀溶液反應(yīng)的中和熱，測量值與理論值較為接近。采用溫度傳感器避免了實(shí)驗(yàn)者始終不停盯著溫度計(jì)讀數(shù)的困擾，將“溫度—時間”以圖像形式直接呈現(xiàn)在電腦上，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、清晰，數(shù)據(jù)獲取更精確；使用磁力攪拌器使攪拌更充分且節(jié)省勞動量，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時間，為重復(fù)實(shí)驗(yàn)提供了保證。各種傳感器在化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)中的使用必然會使化學(xué)實(shí)驗(yàn)更加快捷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀、精確，同時也為化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究拓展了新的領(lǐng)域。