高中化學實驗創新設計—中和反應熱的測定

郭思貝

(山西省臨汾市第一中學，山西 臨汾 041000)

高中化學實驗創新設計—中和反應熱的測定

郭思貝

(山西省臨汾市第一中學，山西 臨汾 041000)

針對中和反應熱測定存在的不足提出了改良保溫裝置(用杜瓦瓶代替燒杯)、測量方法(用傳感技術代替溫度計)和數據處理方法(Origin 軟件作圖法的使用)的實驗方案， 并通過實驗分析了改進后的方案數據。證實了改進后的保溫裝置保溫效果更好，實驗測定值的誤差在中學階段做中和熱測量實驗的允許范圍之內，更接近理論值。

中和反應熱；保溫裝置；測量方法；數據處理方法；改進探究

“中和反應反應熱(后簡稱中和熱)的測定”是高中化學教材中的一個重要的實驗，也是現行高中化學教材中為數不多的定量實驗。該實驗不但能很好地培養學生的實驗基本操作和對實驗數據分析處理能力，而且對于引導和發掘中學生創新能力，也有著非常重要的作用。

1 實驗

1.1 實驗藥品及儀器

實驗藥品：NaOH、CH3COOH、HCl 溶液(濃度均為 1mol·L-1)；

實驗裝置：中和熱測定裝置 1 套；其中圖1為中和熱測定裝置，圖2為杜瓦瓶結構圖。

圖1 中和熱測定裝置

圖2 杜瓦瓶結構圖

1.2 實驗方案

1.2.1 量熱計常數(K)的測定

按上述操作方法重復兩次，取其平均值。

1.2.2 酸堿中和熱測定

取50 mL的1 mol·L-1NaOH溶液注入堿貯存器，仔細檢查確定不漏液后，將玻璃棒插入貯存器中。用量筒量取400 mL蒸餾水注入用凈布或濾紙擦凈的杜瓦瓶中，然后加入50 mL的1 mol·L-1HCl溶液。輕輕塞緊瓶塞，用攪拌器均勻攪拌，并記錄溫度(每分鐘一次)。記10個數后，將堿貯存器稍稍提起，用玻璃棒將膠塞捅掉(不要用力過猛，已免玻璃棒碰破杜瓦瓶之內壁而損壞儀器)。捅掉膠塞后，即將堿貯存器上下移動兩次，使堿液全部流出。此后不斷攪拌，并繼續每隔1s記錄一次溫度。待溫度變化緩慢后，再每隔1min記錄5個數據后就停止測定。用Origin 軟件作圖法確定△T2。按上述方法重復兩次，取其平均值。

用 CH3COOH代替HCl，重復上述操作，求△T3。

2 數據記錄和處理

將數據記錄于表1：P= t=

表1 數據記錄

2.1 量熱計常數的計算

由實驗可知，通電所產生的熱量使量熱計溫度上升△T，由焦耳-楞次定律可得：

利用醫院管理信息系統（HIS），提取2014年干預前已出院清潔手術病歷528例為對照組，男性237 例，女性 291 例，年齡 18～68 歲，平均（47.5±5.9）歲，病因包括甲狀腺42例、乳腺85例、腹股溝疝76例、骨折內固定取出術266例及白內障59例；隨機抽取綜合干預后2017年已出院清潔手術病歷614例為干預組，男性279例，女性335例，年齡20～72歲，平均（46.9±6.1）歲，病因包括甲狀腺 54 例、乳腺97例、腹股溝疝92例、骨折內固定取出術298例及白內障73例。兩組病例均排除術前已存在感染者，在年齡、性別、手術類別等方面均無顯著差異（P＞0.05），具有可比性。

Q =UIT=K△T

(1)

式中：Q為通電所產生的熱量(J)；I為電流強度(A)；U為電壓(V)；t為通電時間(s)；△T為通電使溫度升高的數值(℃)；K為量熱計常數，其物理意義是量熱計每升高1℃所需之熱量。它是由杜瓦瓶以及其中儀器和試劑的質量和比熱所決定的。當使用某一固定量熱計時，K為常數，由(1)式可得：

(2)

將△T1(平均值)代入(2)式，求出量熱計常數K。

表2 測定量熱計常數K的時間和溫度

圖3 量熱計常數K的測定曲線

2.2 中和熱的計算

反應的摩爾熱效應可表示為：

(3)

式中：c為溶液的濃度；V為溶液的體積(mL)；△T為體系的溫度升高值。

利用(3)式，將K及△T2(平均值)代入，求出鹽酸與氫氧化鈉溶液的中和反應的摩爾中和熱△H中和。

表3 測定HCl和NaOH中和焓的時間和溫度

圖4 HCl與NaOH反應的溫度曲線

2.3 解離熱的計算

利用(3)式，將K及△T3(平均值)代入，求出弱酸與強堿中和反應的摩爾熱效應△H。利用蓋斯定律求出弱酸分子的摩爾解離熱△H解離，即：

△H解離=△H-△H中和

(4)

表4 測定 CH3COOH和NaOH中和焓的時間和溫度

圖5 CH3COOH與NaOH反應的溫度曲線

2.4 具體的處理結果

室溫 25℃；大氣壓力 100kPa；功率P=10W；通電時間t=550s。

3 實驗創新點

3.1 實驗數據采集處理的創新點

利用酸堿濃度、量熱計常數計算中和熱值，可減少誤差，并應用 origin 軟件繪制工作曲線，使實驗數據處理更加簡單、精確。本實驗稀 HCl 與稀 NaOH 溶液反應的過程反應放出的熱量實際測量值為-55.23 kJ·mol-1(可以精確到小數點后三位)，而中和熱的理論值為-57.3 kJ·mol-1。相對誤差=(57.3-55.23)/55.23=3.74%。 該誤差完在中學階段做中和熱測量實驗的允許范圍之內。

3.2 實驗裝置微型化、小型化

將現行高中課本中的燒杯改為小體積杜瓦瓶(體積縮小為原燒杯體積的1/4)，一方面體系保溫隔熱效果好，另一方面使實驗向小型化和微型化設計方面發展，使氫氧化鈉和鹽酸的用量減少到原來的四分之一。減少試劑用量后的中和反應系統由于溶液體積大幅減少，攪拌效率更高，系統各處的溫度更趨一致，對溫度變化的監測更容易，溫度數據也更準確。實踐證明，該創新設計不但可以達到與常規實驗相同的實驗目的和效果，而且可以大幅減少試劑用量、不同程度地減少實驗過程中產生的化學廢棄物、節約后處理費用、減少污染、改善實驗環境，因此，此舉已經成為中學化學實驗教學改革的一個重要發展趨勢。

3.3 將手持技術引入并融教學設計

手持技術，又稱傳感技術。主要是由數據采集器、傳感器、計算機等硬件設施以及配套的數據處理軟件等構成。與傳統的實驗相比較，它能實時、快速、直觀地顯示中和反應在反應過程中的溫度變化，并能根據實驗結果較為準確地計算出中和熱值。

3.4 本創新實驗對課程教學的促進

實踐證明，化學教學實驗可以激發學生的化學實驗興趣，進而使之對化學產生興趣，這是創設生動、活潑的化學教學情境的重要形式，而實驗探究是轉變學生學習方式和發展實驗探究能力的重要途徑，同時，化學實驗還是落實“情感態度與價值觀”目標的重要手段。通過本實驗的創新改進，不僅可以鍛煉學生不局限于課本內容的思維能力，而且對于進一步提高其動手能力，以及對中學教師提高對化學教學實驗方法論功能、認識論功能以及教學論功能的認識都是有積極作用的。

[1] 吳子生，嚴 忠.物理化學實驗指導書[M].長春：東北師范大學出版社，1995:40-44.

[2] 姚廣偉，卜平宇.物理化學實驗[M].北京：中國農業出版社，2003:64-68.

[3] 張新麗，胡小玲，蘇克和.物理化學實驗[M].北京：化學工業出版社，2008:24-26.

[4] 彭少方.物理化學實驗[M]. 北京：高等教育出版社，1963：35-36.

(本文文獻格式：郭思貝.高中化學實驗創新設計—中和反應熱的測定[J].山東化工,2017,46(11):157-159.)

Innovative Chemical Experiment of High School-The Neutralization Rreaction Heat Measurement

GuoSibei

(Linfen First Middle School in Shanxi Province,Linfen 041000,China)

Aiming at the shortcomings of the neutralization reaction heat measurement is put forward improved insulation device (using dewar bottle instead of a beaker), measuring method (with sensor technology to replace the thermometer) and data processing method (Origin drawing method) of experimental scheme, and the improved scheme is analyzed through experiment data. Confirmed the improved heating device heat effect is better, the experimental error of the measured value neutralization heat measurement experiment in permission scope, and closer to the theoretical value.

neutralization reaction heat;insulation device;measurement methods;data processing method;improved research

2017-04-10

郭思貝(2001—)，女，山西臨汾人，高中生，研究方向為中學化學實驗創新。

G642.423

B

1008-021X(2017)11-0157-03