吸熱與放熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置的設(shè)計(jì)

劉艷芳 王國(guó)勤 楊麗君

摘要：人教版高中化學(xué)教材中吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氨氣和鋇離子對(duì)環(huán)境有污染，為此對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。用易得的透明PVC加厚手套作為反應(yīng)容器，既可測(cè)定體系吸熱或放熱，也可將化學(xué)反應(yīng)與除雜等相整合;溫度傳感器的使用能即時(shí)顯示反應(yīng)溫度的變化;以手捏方式混合固體反應(yīng)物，學(xué)生能直觀感受反應(yīng)體系溫度的上升與下降;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)與能量變化。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有材料易得、操作簡(jiǎn)單、藥品用量少、現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 吸熱反應(yīng); 放熱反應(yīng); 溫度傳感器; 裝置改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）03-0062-04

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

人教版高中化學(xué)教材中吸熱與放熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)反應(yīng)與能量意識(shí)有重要作用。教材中的放熱實(shí)驗(yàn)，是將鎂條與鹽酸放入試管中反應(yīng)，利用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)反應(yīng)溫度的變化。實(shí)驗(yàn)器材易得，操作簡(jiǎn)單，溫度上升明顯;教材中的吸熱實(shí)驗(yàn)，將20g Ba（OH）2·8H2O與10g NH4Cl放入敞口的燒杯中，燒杯放在滴有水的木片上，用玻璃棒攪拌，聞到氣味后用玻璃片蓋住燒杯，通過(guò)觀察燒杯底部小木片不掉落得知反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)方案也具有簡(jiǎn)單易操作，器材易得等特點(diǎn)。然而，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均存在以下不足：（1）吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)增加，且不利于同時(shí)對(duì)比吸熱與放熱現(xiàn)象;（2）作為演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生除了觀察溫度計(jì)讀數(shù)的變化外，沒(méi)有直觀感受溫度上升與下降的體驗(yàn);（3）實(shí)驗(yàn)完成后重金屬鋇離子直接排放，沒(méi)有進(jìn)行處理;（4）反應(yīng)產(chǎn)生的有刺激性氣味的氨氣污染教學(xué)環(huán)境，且沒(méi)有對(duì)氨氣進(jìn)行檢驗(yàn);（5）吸熱反應(yīng)能否使燒杯與木片間的水凝結(jié)成冰易受室溫的影響，如果室溫較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以實(shí)現(xiàn);（6）吸熱實(shí)驗(yàn)為了使燒杯與木片間的水凝結(jié)成冰，藥品用量一般較多，造成很大浪費(fèi)和實(shí)驗(yàn)污染。鑒于教材中的實(shí)驗(yàn)方法存在諸多不足，本研究利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)、透明PVC加厚手套設(shè)計(jì)吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，用手捏方式混合固體反應(yīng)物感知溫度的升與降，也可運(yùn)用手持技術(shù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中溫度的變化。反應(yīng)完成之后直接用酸吸收處理氨氣和重金屬鋇離子。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、現(xiàn)象直觀、趣味性強(qiáng)、學(xué)生參與度高，既可作為教師演示實(shí)驗(yàn)，也能作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，有較好的教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)現(xiàn)狀分析

為了解吸熱和放熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展與現(xiàn)狀，查閱了大量的相關(guān)資料。發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中對(duì)吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)的研究較多。除了研究Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的代用品及藥品用量外[1，2]，主要集中在以下幾個(gè)方面： 一是對(duì)氨氣的處理，以解決環(huán)境污染問(wèn)題;二是對(duì)測(cè)溫方法的改進(jìn)，以使溫度的數(shù)字變化的可觀察性更好[3～5];三是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，包括反應(yīng)容器、攪拌裝置等，且增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性[6]。

以上幾種改進(jìn)方案實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雖較明顯，但藥品用量、環(huán)保性、數(shù)字化、趣味性等方面仍存在較大差異和不足。

綜上所述，很有必要對(duì)吸熱和放熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)再作研究，以尋求一個(gè)更理想的實(shí)驗(yàn)方案： 能將吸熱與放熱反應(yīng)作對(duì)比，減少藥品用量，使攪拌變得充分且輕松有趣，能通過(guò)觸摸感知放熱與吸熱，能解決氨氣與重金屬鋇離子的污染問(wèn)題，還能運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)，使溫度變化一目了然，讓學(xué)生輕松參與到化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中來(lái)。

3 吸熱與放熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置的新設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)試劑的選擇

通過(guò)文獻(xiàn)檢索，選擇了文獻(xiàn)中效果較好的NH4HCO3、 NaHCO3分別和HCl、 CH3COOH、 H2SO4反應(yīng)[7，8]，將其與Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，探究反應(yīng)引起的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)1～7控制NaHCO3、 Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物質(zhì)的量為0.1mol，保持液體反應(yīng)物體積為10mL。實(shí)驗(yàn)8～11控制Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物質(zhì)的量為0.01mol，保持液體反應(yīng)物體積為3mL。

由表1實(shí)驗(yàn)1～7得知，溫度變化最大的是Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應(yīng)，溫度降低38.7℃，體系最終溫度-15.2℃。其次是NH4HCO3與HCl、 CH3COOH、 H2SO4反應(yīng)，溫度可以降低約17℃左右。NaHCO3與HCl反應(yīng)，溫度可以降低約13℃左右。實(shí)驗(yàn)8～11表明，藥品用量降低到原來(lái)的1/10時(shí)，NH4HCO3與酸反應(yīng)使體系的溫度降低值達(dá)到了10℃左右，但Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應(yīng)使體系的溫度降低值是NH4HCO3與酸反應(yīng)的兩倍，降低了26℃。

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮到并非所有的學(xué)校都配置有溫度傳感器，故改進(jìn)實(shí)驗(yàn)采用藥品用量少但降溫效果明顯的Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應(yīng)，讓學(xué)生用手觸摸去直觀感知化學(xué)反應(yīng)引起的溫度變化，體現(xiàn)化學(xué)的趣味性。反應(yīng)后對(duì)重金屬鋇離子可用裝置中的稀硫酸除去，體現(xiàn)了環(huán)保性。另外，實(shí)驗(yàn)中0.01mol NH4HCO3與HCl、 CH3COOH的反應(yīng)降溫達(dá)到了10℃以上，是人體感官能感受到的溫度變化，因此NH4HCO3與HCl、 CH3COOH的反應(yīng)也可替代Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器： Vernier數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝Logger Pro軟件）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、電子天平、透明PVC加厚手套、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、膠頭滴管、量筒（10mL）、四條細(xì)繩、大試管（30mm×200mm）、紙槽、透明膠帶

試劑： Ba（OH）2·8H2O固體、NH4Cl固體、2.0mol/L H2SO4、鎂條、酚酞試劑

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取透明PVC加厚手套一只，將手套的1號(hào)和3號(hào)手指放入兩只相同高度的試管中，便于裝入藥品。

（2） 在1號(hào)手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，3號(hào)手指中裝入碾磨好的3.0g Ba（OH）2·8H2O固體。

（3） 把手套拿出，用細(xì)繩將1號(hào)和3號(hào)手指捆好后，再將手套的1～4號(hào)手指放入四只相同高度的試管中，在1號(hào)手指中加入兩條長(zhǎng)5mm的鎂條，在2號(hào)手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，在3號(hào)手指中加入碾磨好的1.0g NH4Cl固體，將浸有酚酞試劑的小花形濾紙用透明膠帶粘貼到4號(hào)手指上方，拿出手套（見(jiàn)圖1）。

（4） 將兩支不銹鋼溫度傳感器放入1號(hào)和3號(hào)手指，將手套口用透明膠帶密封后粘貼到不銹鋼溫度傳感器上，打開(kāi)Vernier Logger Pro軟件，設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊采集按鈕。

（5） 同時(shí)解開(kāi)1號(hào)和3號(hào)手指上的捆繩，上移透明膠帶至傳感器手柄，使不銹鋼溫度傳感器接觸反應(yīng)物，以手捏方式混合3號(hào)手指中的藥品，使其開(kāi)始反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束點(diǎn)擊結(jié)束按鈕，停止采集數(shù)據(jù)。

（6） 用手觸摸1號(hào)和3號(hào)手指的溫度變化，并與2號(hào)手指的溫度作對(duì)比。觀察小花的顏色變化。反應(yīng)結(jié)束后，下移透明膠帶，使溫度傳感器在掌心處，將1號(hào)和2號(hào)手指中的溶液倒入3號(hào)手指中，以吸收氨氣和處理鋇離子。取下手套，用透明膠帶粘貼好手套口，反應(yīng)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1號(hào)手指中有氣泡產(chǎn)生，溫度升高約39℃，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度變化如圖2（上方線）所示。反應(yīng)的化學(xué)方程式為Mg+H2SO4MgSO4+H2↑。

3號(hào)手指中的固體變?yōu)楹隣?，溫度降低約34℃，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度變化曲線如圖2（下方線）所示。反應(yīng)的化學(xué)方程式為

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O。

4號(hào)手指上方的小花變?yōu)榧t色，說(shuō)明反應(yīng)有氨氣生成。

1號(hào)手指中產(chǎn)生的氫氣和3號(hào)手指中產(chǎn)生的氨氣使手套略微鼓起。

將1號(hào)和2號(hào)手指中的溶液倒入3號(hào)手指后，有白色沉淀生成，且溫度升高。反應(yīng)的方程式為2NH3+H2SO4（NH4）2SO4，Ba2++SO2-4BaSO4↓。

查閱2003年版蘭氏化學(xué)手冊(cè)部分物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓數(shù)值，計(jì)算反應(yīng)Ba2+（aq）+SO2-4（aq）BaSO4（s）的焓變： ΔH=-1473.19kJ/mol-（-537.64kJ/mol）-（-909.34kJ/mol）=-26.21kJ/mol，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此混合后溶液溫度會(huì)升高。

3.5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 將兩支不銹鋼溫度傳感器固定在適當(dāng)?shù)母叨龋_保同時(shí)接觸到反應(yīng)物。

（2） 膠頭滴管需伸進(jìn)手套手指底部加入稀硫酸，避免稀硫酸附著在手指上部與鎂條反應(yīng);用紙槽加入固體藥品時(shí)需小心，避免灑落。

（3） 第二次將手套放入試管中時(shí)，需小心晃動(dòng)試管使裝有藥品的手指下落到試管中，防止因擠壓漏出稀硫酸。

（4） 粘貼透明膠帶時(shí)要注意，讓手套口的內(nèi)側(cè)低于外側(cè)，用透明膠帶的下半部分封住手套口，確保密封;透明膠帶的上半部分粘貼在不銹鋼溫度傳感器上，便于上下移動(dòng)。

（5） 選用NH4HCO3與HCl、 CH3COOH反應(yīng)時(shí)，需注意將液體藥品放在手套手指下端，固體藥品放在上端，中間用細(xì)線隔開(kāi)。

3.6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1） 本實(shí)驗(yàn)最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于將吸熱和放熱兩個(gè)不同的反應(yīng)置于一個(gè)透明的PVC加厚手套中，但裝置卻很簡(jiǎn)便，藥品用量少，氣密性好，可操作性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯，無(wú)環(huán)境污染。

（2） 裝置簡(jiǎn)單但反應(yīng)卻不簡(jiǎn)單，不僅適用于教師演示，也可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也適用于基礎(chǔ)設(shè)施較落后的學(xué)校。

（3） 將吸熱與放熱反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，讓學(xué)生用手觸摸并攪拌反應(yīng)物，可直觀感受到化學(xué)反應(yīng)有吸熱和放熱之分，增添了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

（4） 裝置集化學(xué)反應(yīng)與廢氣、廢液處理于一體。2號(hào)手指中的5mL硫酸既起到對(duì)比溫度下降與上升的作用，又有除去鋇離子和氨氣的作用。氨氣不會(huì)逸出污染教學(xué)環(huán)境，鋇離子被結(jié)合生成硫酸鋇沉淀。

（5） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用溫度傳感器測(cè)量溫度的變化，能夠便捷地感知實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)，體驗(yàn)放熱和吸熱反應(yīng)的含義。

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