初中化學(xué)溶解熱及中和熱實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

游文強(qiáng)

(福建省福清市福清三山中學(xué)，福建 福清 350318)

2022年4月，教育部頒布《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》[1](以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)。作為建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的化學(xué)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要載體，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的主要途徑，新課標(biāo)首次提出“認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要形式和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑”這一目標(biāo)要求[2]，要求教師重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要作用。教師不僅要積極開(kāi)展課本實(shí)驗(yàn)，還要嘗試改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)，以期獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。這樣不僅有利于促進(jìn)教師的專業(yè)化發(fā)展，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

學(xué)生首次接觸物質(zhì)的溶解與酸堿中和反應(yīng)是在九年級(jí)下學(xué)期。通過(guò)先前的學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器，初步掌握了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)操作，并具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)探索興趣。查閱各地市所用教材中有關(guān)“物質(zhì)溶解”知識(shí)的內(nèi)容，大部分都設(shè)置了物質(zhì)溶解過(guò)程中溫度的改變這一內(nèi)容，其中有給出具體實(shí)驗(yàn)裝置圖的教材見(jiàn)表1。

教材及實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師展示物質(zhì)溶解時(shí)溫度變化的裝置多是由一組燒杯和溫度計(jì)組成。由于溫度計(jì)的刻度細(xì)小，造成學(xué)生不易讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生參與性較低，還容易發(fā)生打破溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)事故。同時(shí)物質(zhì)溶解過(guò)程中吸收或者放出的熱量是很難用眼睛觀測(cè)到的，實(shí)際教學(xué)中部分教師通過(guò)讓學(xué)生用手觸碰燒杯來(lái)感受溫度的變化，這樣的演示實(shí)驗(yàn)受眾面小，教育效果不佳。同時(shí)僅憑感性無(wú)法判斷溫度變化的程度，更無(wú)法聚焦化學(xué)的定量思維培養(yǎng)，如某些物質(zhì)溶解過(guò)程中溫度變化比較輕微，容易讓學(xué)生產(chǎn)生物質(zhì)溶解時(shí)溫度不變的錯(cuò)誤概念[5]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需要用到玻璃棒攪拌，玻璃棒攪拌容易碰到杯壁或者杯底，造成實(shí)驗(yàn)誤差。而科粵版教材所展示的數(shù)字傳感器則為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了一種新思路，手持技術(shù)操作簡(jiǎn)便，溫度變化可視化，但若要展示多種物質(zhì)溶解時(shí)的熱量變化，無(wú)法同時(shí)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并且需要不斷更換實(shí)驗(yàn)裝置，使得操作繁瑣，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。

各地市常用的教材中展示中和反應(yīng)放熱的裝置(圖1)多由燒杯和玻璃棒組成。教師在展示過(guò)程中先將氫氧化鈉溶液加入到燒杯中，再加入酸堿指示劑，然后再加入稀鹽酸溶液，同時(shí)不斷用玻璃棒攪拌，加快混合速度，也使得反應(yīng)更加充分。由于要向?qū)W生說(shuō)明中和反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此在滴加完稀鹽酸溶液后還需要用溫度計(jì)測(cè)量，由于溫度計(jì)的顯示需要一定時(shí)間，造成實(shí)驗(yàn)步驟太多。容易混亂、不易操作和實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，使得實(shí)驗(yàn)效果不好。

圖1 教材中展示中和反應(yīng)放熱的裝置

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有些中學(xué)教師針對(duì)溶解熱和中和熱實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。馬逸群[6]將裝置中的溫度計(jì)改成帶有紅色水柱的細(xì)玻璃管(圖2)，使得反應(yīng)現(xiàn)象更加明顯，但仍處于定性分析的階段；饒紅梅[7]使用數(shù)顯溫度計(jì)增加了數(shù)據(jù)可見(jiàn)度，反映了兩種物質(zhì)溶解前后溶液溫度的數(shù)值，增加了對(duì)比度，但無(wú)法直觀展示物質(zhì)溶解過(guò)程或中和反應(yīng)中溫度的變化。近年來(lái)，以手持技術(shù)為核心的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越多，任動(dòng)[8]等人利用智能手機(jī)外接溫度傳感器測(cè)定中和反應(yīng)的熱效應(yīng)(圖3)，通過(guò)直觀實(shí)時(shí)的測(cè)量手段，展示了化學(xué)反應(yīng)中溫度的變化，但無(wú)法同時(shí)展示多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)時(shí)的溫度變化。

圖2 文獻(xiàn)中改進(jìn)裝置一

圖3 文獻(xiàn)中改進(jìn)裝置二

基于對(duì)教材及文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)裝置的梳理，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，融入數(shù)字化手持技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)中溫度變化的橫向?qū)Ρ取Ｔ搶?shí)驗(yàn)裝置既適合課堂演示也可設(shè)置為學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)，能有效提高教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：聯(lián)排磁力攪拌器、磁子、溫度傳感器、“L”形玻璃管、100 mL 燒杯、三孔橡膠塞、玻璃漏斗、50 mL 量筒、100 mL 量筒、電子天平、稱量紙。

藥品：0.55 mol/L 鹽酸溶液、0.55 mol/L 硫酸溶液、0.55 mol/L NaOH溶液、NaOH固體、CaO固體、NH4NO3固體、NH4Cl固體。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖4所示，將3個(gè) 100 mL 燒杯置于聯(lián)排磁力攪拌器表面，攪拌磁子置于燒杯底部，杯口部裝有橡膠塞，橡膠塞共有三個(gè)小孔：1、2、3。溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處，并將感應(yīng)端浸入燒杯；玻璃漏斗用于加入反應(yīng)物質(zhì)，通過(guò)孔2浸入燒杯；孔3處倒“L”形的玻璃管用于排出燒杯中物質(zhì)反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體。所述的磁力攪拌器，可以是1至6多頭。

1.溫度傳感器；2.漏斗；3.排氣管；4.橡膠塞；5.液面；6.磁力轉(zhuǎn)子；7.聯(lián)排磁力攪拌器圖4 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 溶解熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)先將 100 mL 的蒸餾水分別添加到四個(gè)燒杯中，溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處，并將感應(yīng)端浸入蒸餾水中，啟動(dòng)磁力攪拌器，連續(xù)攪拌 10 s，待溫度值平穩(wěn)后，將1克 NaOH，CaO，NH4NO3，NH4Cl經(jīng)玻璃漏斗分別添加到四個(gè)燒杯中，觀察并記錄溫度變化。通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，借助溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)可以清楚地看到溶解時(shí)溶液的溫度的改變，以及不同物質(zhì)溶解時(shí)溫度的變化差異。

3.2 中和熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)先將 50 mL 0.55 mol/L 的鹽酸和 50 mL 0.55 mol/L 的硫酸溶液分別加入到燒杯中，溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處，并將感應(yīng)端浸入酸溶液中，啟動(dòng)磁力攪拌器，連續(xù)攪拌 10 s，待溫度值平穩(wěn)后，將 50 mL 0.55mol/L 氫氧化鈉溶液通過(guò)玻璃漏斗緩慢地加入到兩個(gè)燒杯中，觀察并記錄溫度變化。通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，借助溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)可以清楚地觀察到酸堿中和反應(yīng)的溫度變化，以及不同酸和堿發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)溫度的變化差異。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案的評(píng)價(jià)

4.1 裝置簡(jiǎn)易，操作簡(jiǎn)便

該裝置同時(shí)適用于探究溶解過(guò)程及中和反應(yīng)的溫度變化，也適用于其它液液體系反應(yīng)熱的探究，具有一定的普適性與可遷移性。且該裝置是在常用儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)容易接受，實(shí)驗(yàn)裝置搭建難度小，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者的實(shí)驗(yàn)操作水平要求不高，可設(shè)置為學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)，培育學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。其中，實(shí)驗(yàn)裝置中的三孔橡膠塞增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體系的保溫功能，減小實(shí)驗(yàn)誤差；實(shí)驗(yàn)裝置中的漏斗組可以同時(shí)且均勻地加入反應(yīng)物；磁力攪拌器使溶解過(guò)程或酸堿中和反應(yīng)進(jìn)行地更加充分，防止手工攪拌力度不同而使結(jié)果有偏差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確[9]。

4.2 數(shù)據(jù)直觀，便于對(duì)照

實(shí)驗(yàn)裝置中引入的數(shù)字化手持技術(shù)攜帶方便，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)顯示直觀，可以實(shí)時(shí)記錄和顯示溫度變化，并能有效地減少實(shí)驗(yàn)誤差，縮短實(shí)驗(yàn)周期，初步發(fā)展學(xué)生對(duì)于溶解熱與中和熱的定量認(rèn)識(shí)，以便更好地理解溶解熱與中和熱的相關(guān)概念和規(guī)律，同時(shí)也能使同學(xué)們體驗(yàn)到現(xiàn)代科技在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，開(kāi)闊眼界，提高創(chuàng)新能力。另外，聯(lián)排磁力攪拌器的使用能夠比較一組不同的反應(yīng)或不同溶液中的溫度的改變，課堂上學(xué)生可通過(guò)小組合作完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)其獲取、分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的技能，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、證據(jù)推理等核心素養(yǎng)提供了良好的環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

此次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)響應(yīng)新課標(biāo)中重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，在教學(xué)中引入數(shù)字化手持技術(shù)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，實(shí)驗(yàn)操作難度低，溫度變化可視，實(shí)驗(yàn)周期縮短，實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)中熱量變化的橫向?qū)Ρ龋婢邔?shí)用性與教育性。