吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

梁勝金

摘要： 現(xiàn)行高中化學(xué)教材中的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的尾氣有污染，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大。對此實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)，利用紅外測溫儀、具支試管、干燥管等器材設(shè)計(jì)新的吸熱反應(yīng)裝置，使反應(yīng)、攪拌、氨氣的檢驗(yàn)與吸收一體化完成;紅外測溫儀可隨時監(jiān)測反應(yīng)過程的溫度變化，且數(shù)字顯示，既直觀又迅速;實(shí)驗(yàn)方法體現(xiàn)綠色環(huán)保、現(xiàn)象明顯、創(chuàng)新性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 吸熱反應(yīng); 環(huán)境污染; 紅外測溫儀; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2018）11-0080-03中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題提出

吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]中一個重要演示實(shí)驗(yàn)（如圖1所示），教材旨在通過實(shí)驗(yàn)來證明Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)。但筆者通過多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果按照教材中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在以下幾個問題： （1）反應(yīng)器大燒杯是敞口的，反應(yīng)生成的氨氣會污染教學(xué)環(huán)境，且耗化學(xué)試劑的量多，一次實(shí)驗(yàn)要耗30克固體試劑{20g氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和10g氯化銨晶體}，不符合環(huán)保要求;（2）在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，由于沒有隔熱材料的保護(hù)，傳熱較快，在燒杯與玻璃片（或三合板）之間不易結(jié)冰，不能凍結(jié)在一起;（3）由于水具有流動性，它能快速填充燒杯與玻璃片（或三合板）之間的空隙，在大氣壓力以及玻璃與水分子間作用力的共同作用下，燒杯與玻璃片（或三合板）很容易粘合到一起，雖與溶解吸熱導(dǎo)致“結(jié)冰”現(xiàn)象不同，但仍易造成實(shí)驗(yàn)假象。

由于教材中的實(shí)驗(yàn)方法存在以上不足，我們利用紅外測溫儀、具支試管、干燥管等器材，設(shè)計(jì)了新的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，使反應(yīng)、攪拌、氨氣的檢驗(yàn)與吸收一體化完成。通過運(yùn)用先進(jìn)的測溫手段可以監(jiān)測反應(yīng)過程溫度的變化，整個實(shí)驗(yàn)過程綠色環(huán)保、反應(yīng)迅速、現(xiàn)象直觀、趣味性強(qiáng)，使原吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問題迎刃而解，收到了較好的教學(xué)效果。

2 研究現(xiàn)狀及分析

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，廣大化學(xué)同仁對“Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)時要吸收熱量”實(shí)驗(yàn)多有研究和改進(jìn)，并在省級以上期刊發(fā)表了相關(guān)研究論文十余篇，這些文章除了研究氫氧化鋇晶體和氯化銨的代用品外，歸納起來還研究了以下兩個問題： 一是解決氨氣對教學(xué)環(huán)境的污染;二是改變測定溫度變化的方法。在已經(jīng)公開發(fā)表的研究論文中，我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)方法雖有改進(jìn)，但仍然不盡如人意： 有的實(shí)驗(yàn)方法[2～4]雖然進(jìn)行了一定的改進(jìn)，但并沒有從根本上解決污染問題;有的實(shí)驗(yàn)方法[5]即使利用熱敏溫度計(jì)代替常規(guī)溫度計(jì)，增大了實(shí)驗(yàn)的可觀察性，但還是沒有消除氨氣對教學(xué)環(huán)境的污染，況且熱敏溫度計(jì)的熱敏探頭容易被腐蝕。由此可見，很有必要對現(xiàn)行化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)方法作進(jìn)一步研究，努力改革和創(chuàng)新，尋找一個較為理想的實(shí)驗(yàn)方法，讓其不僅解決氨氣的污染問題、充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)物問題，而且還能簡單、準(zhǔn)確地測定反應(yīng)前后的溫度變化。

3 設(shè)計(jì)理念

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念決定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性和實(shí)用性。根據(jù)環(huán)保理念和基本要求，對“Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)時要吸收熱量”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，必須遵循以下原則： （1）對反應(yīng)產(chǎn)生的污染物——氨氣進(jìn)行相應(yīng)處理，并大幅減少反應(yīng)物的用量，從而消除對教學(xué)環(huán)境的污染。（2）由于反應(yīng)物Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl均為固體物質(zhì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，必須使用攪拌器使兩種固體物質(zhì)攪拌均勻，使反應(yīng)更充分、更迅速。（3）測定反應(yīng)前后溫度變化時，要求測溫裝置簡單、準(zhǔn)確、迅速，可觀察性強(qiáng)。（4）實(shí)驗(yàn)裝置還要具備取材容易、制作簡單、便于操作、重復(fù)性好、安全可靠等特點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)方法

依據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，在制作實(shí)驗(yàn)裝置時，采用兩種物質(zhì)在具支試管內(nèi)進(jìn)行;生成的氨氣通過干燥管內(nèi)沾有稀鹽酸的脫脂棉進(jìn)行吸收，消除氨氣對教學(xué)環(huán)境的污染;利用干燥管內(nèi)潤濕的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)氨氣的生成;兩種物質(zhì)的攪拌可通過粗銅絲制成的攪拌器來完成;利用紅外測溫儀通過測溫孔測定反應(yīng)前后反應(yīng)器壁的溫度變化。

5 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的化學(xué)反應(yīng)：

（1） Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)：

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O-Q（熱量）;

（2） 潤濕的紅色石蕊試紙遇到氨氣變藍(lán);

（3） 氨氣的吸收：

NH3+HClNH4Cl。

6 實(shí)驗(yàn)方案

6.1 實(shí)驗(yàn)用品

紅外測溫儀（歐米安儀器，GM550型，測溫范圍： -50～550℃，淘寶網(wǎng)有售35～65元1個）;具支試管（20mm×200mm）1支;球形干燥管1個;2號單孔橡膠塞1個;3號橡膠塞1個;粗銅絲（直徑： 0.3cm，長： 35cm）、鐵架臺、鐵夾、十字夾各1個;脫脂棉若干;錐子1把;鐵鉗1把;一次性注射器（20mL）1支

Ba（OH）2·8H2O; NH4Cl; 10%稀鹽酸;蒸餾水;紅色石蕊試紙;凡士林

6.2 儀器制作

（1） 制作攪拌器。

取一根粗銅絲（直徑： 0.3cm，長： 35cm），用鐵鉗將下端彎成鋸齒形。取一個3號橡膠塞，用錐子在其中央扎一個小孔，將粗銅絲的另一端從3號橡膠塞小頭的中央孔穿過后，用鐵鉗彎成直角搖把（如圖2所示）。

（2） 儀器組裝。

將拼裝好的攪拌器橡膠塞上下的粗銅絲表面涂上凡士林后，上下抽動一下粗銅絲，使粗銅絲旋轉(zhuǎn)靈活，粗銅絲與橡膠塞之間被凡士林密封嚴(yán)實(shí)以防漏氣。將其放到具支試管里，使橡膠塞塞緊在具支試管口處。在具支試管的支管處安裝單球干燥管，干燥管內(nèi)盛放著用水潤濕的紅色石蕊試紙和用稀鹽酸潤濕的脫脂棉團(tuán)（如圖3所示）。

圖4 裝置

6.3 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4所示，鐵架臺、鐵夾、十字架已略去。

A.直角搖把;B.用鹽酸（10%）潤濕的脫脂棉團(tuán);C.用蒸餾水潤濕的紅色石蕊試紙;D.攪拌器;E.紅外測溫儀;F.氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體混合物;G.紅外光線

6.4 實(shí)驗(yàn)過程及其現(xiàn)象

（1） 在具支試管內(nèi)加入1mL蒸餾水。打開紅外測溫儀的開關(guān)，并置紅外測溫儀于具支試管20cm處，使紅外光線直接照射具支試管底部，測出的初始溫度為8.8℃。

（2） 在反應(yīng)器內(nèi)分別加入2g氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和1g氯化銨晶體（NH4Cl）后，塞緊橡膠塞，順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)直角搖把，攪拌具支試管底部的反應(yīng)物。

（3） 攪拌1min后可觀察到單球干燥管內(nèi)的紅色石蕊試紙變藍(lán)，說明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應(yīng)生成了氨氣，剩下的氨氣被脫脂棉團(tuán)內(nèi)的稀鹽酸吸收（NH3+HClNH4Cl）。

（4） 攪拌3min后，打開紅外測溫儀的開關(guān)，并將紅外測溫儀放置距具支試管底部20cm處，讓紅外光線直達(dá)具支試管外壁，此時測出具支試管底部外壁的溫度為-3.8℃，說明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)。

（5） 實(shí)驗(yàn)完畢后取下具支試管支管上的干燥管，通過支管將一次性注射器內(nèi)的3mL稀鹽酸注入到具支試管內(nèi)，使反應(yīng)器內(nèi)的氨氣全部被吸收（NH3+HClNH4Cl）。

6.5 實(shí)驗(yàn)說明

（1） 向具支試管中加入蒸餾水的目的是為了使氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和氯化銨晶體（NH4Cl）的反應(yīng)更充分、更迅速，反應(yīng)體系溫度降低得更快。

（2） 使用紅外測溫儀，讀數(shù)迅速、準(zhǔn)確，可以隨時測定體系的溫度變化，無需等到實(shí)驗(yàn)完畢進(jìn)行測定，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時間，提高了教學(xué)效率。

7 結(jié)束語

利用紅外測溫儀、具支試管、攪拌器、干燥管等器材研制的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，既簡單又實(shí)用，不僅解決了生成物氨氣的污染問題，而且還可以使反應(yīng)物充分?jǐn)嚢琛⒊浞址磻?yīng)從而達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。此外，使用現(xiàn)代科技產(chǎn)品紅外測溫儀測定反應(yīng)的溫度變化，避免了利用常規(guī)溫度計(jì)、熱敏溫度計(jì)等測溫儀器測定溫度帶來的不便。通過該實(shí)驗(yàn)裝置的使用，可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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