基于溫差測(cè)量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)兩則

白濤+冉甜+謝樂欣

摘要：設(shè)計(jì)兩個(gè)利用溫度傳感器測(cè)量過程溫差的實(shí)驗(yàn)。分別測(cè)量C1～C4醇類和C5～C6烷烴有機(jī)物蒸發(fā)過程的吸熱溫差數(shù)據(jù)，說明不同有機(jī)物分子間作用力有差異；測(cè)量鹽酸與氫氧化鈉溶液（或金屬M(fèi)g及MgO與鹽酸溶液）放熱反應(yīng)過程的溫差數(shù)據(jù)，計(jì)算得出中和反應(yīng)的反應(yīng)熱（或結(jié)合蓋斯定律推算金屬M(fèi)g的燃燒熱）。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；溫差測(cè)定；分子間作用力；反應(yīng)熱；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）12–0054–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以傳感器為核心的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，溫度傳感器是操作簡(jiǎn)便、使用廣泛的傳感器之一[1～3]，相比溫度計(jì)能更準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄物質(zhì)變化過程中的溫度改變情況，進(jìn)而感知物質(zhì)變化時(shí)的能量變化。基于此，設(shè)計(jì)了兩則通過溫差測(cè)量數(shù)據(jù)，說明分子間存在作用力，以及測(cè)定中和熱和鎂的燃燒熱的實(shí)驗(yàn)。

1 通過測(cè)量液體氣化溫差感知分子間作用力

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

液態(tài)（凝聚態(tài)）物質(zhì)蒸發(fā)（揮發(fā)）過程中，動(dòng)能較大的分子會(huì)從體系中逸出，逸出的分子需克服表層分子對(duì)其的吸引作用而做功，若環(huán)境無法及時(shí)給體系補(bǔ)充能量，體系的溫度便會(huì)降低，溫度降低的大小和快慢與分子間作用力的強(qiáng)度有關(guān)。

分子間作用力包含范德華力和氫鍵，范德華力又包含取向力（永久偶極-永久偶極作用）、誘導(dǎo)力（永久偶極-誘導(dǎo)偶極作用）、色散力（瞬間偶極-瞬間偶極作用）。烷烴和醇兩個(gè)同系列有機(jī)物分子隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大，分子電子云變形性增大，使范德華力增大。正丁醇和乙醚互為同分異構(gòu)體，由于正丁醇中含有“羥基”結(jié)構(gòu)，使正丁醇形成一種特殊的、較強(qiáng)的分子間作用力——?dú)滏I。

1.2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、定性濾紙

試劑：甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊烷、正己烷、乙醚

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）如圖1，將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器三者相連接，打開Logger Pro軟件。

（2）用橡膠圈固定濾紙（3cm×0.5cm）于溫度傳感器測(cè)量端，并插入待測(cè)液中使濾紙吸附待測(cè)液體，待溫度示數(shù)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)，約10s后，取出溫度傳感器置于空氣中（如圖1）放置。

（3）待溫度回升一段時(shí)間后，停止采集并保存數(shù)據(jù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 C1～C4醇類和C5～C6烷烴氣化過程的溫差

C1～C4醇類氣化過程溫度變化如圖2所示，測(cè)得氣化溫差（初始溫度和最低溫度之差）為：甲醇（13.9℃）>乙醇（9.2℃）>正丙醇（8.7℃）>正丁醇（4.6℃）。與其醇類沸點(diǎn)（如圖3）、相對(duì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)相反。

C5～C6烷烴氣化過程溫度變化如圖4所示，測(cè)得氣化溫差為：正戊烷（20.9℃）>正己烷（12.4℃）。也與其沸點(diǎn)、相對(duì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)相反。

C1～C4醇類、C5～C6烷烴的氣化溫差說明，氣化溫差和沸點(diǎn)與其相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，分子氣化過程中需要克服分子間作用力，故氣化溫差和沸點(diǎn)的差異來源于物質(zhì)分子間作用力的差別，特別是范德華力中的色散力的差別，而分子越大、分子內(nèi)電子越多，分子剛性越差，分子里的電子云越松散，越容易變形，色散力就越大，所以同系物中相對(duì)分子質(zhì)量越大表明分子越大、分子內(nèi)電子也越多，分子間作用力（色散力）越強(qiáng)。

1.4.2 正丁醇和乙醚的氣化溫差

正丁醇和乙醚氣化過程溫度變化如圖5所示，測(cè)得氣化溫差為：正丁醇（4.6℃）<乙醚（9.8℃）。

正丁醇和乙醚互為同分異構(gòu)體，正丁醇?xì)饣瘻夭钶^小，而乙醚氣化溫差較大，這是由于在正丁醇分子間除范德華力外，還存在作用更強(qiáng)的氫鍵，而乙醚分子間卻只存在范德華力的緣故。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量液體氣化吸熱溫差可定性（半定量）地感知分子間作用力（包括氫鍵）的存在和強(qiáng)弱。

2 通過測(cè)量溶液反應(yīng)溫差測(cè)定中和熱、燃燒熱

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、簡(jiǎn)易量熱杯（或保溫杯）、磁力攪拌器（予華DJ型）、磁力攪拌子、移液管（50.00mL）、分析天平

試劑：中和熱和燃燒熱測(cè)量所需試劑見表1

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器三者相連接，打開Logger Pro軟件。

（2）用移液管量取試劑A注入簡(jiǎn)易量熱杯中，打開磁力攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，將溫度傳感器插入溶液中（避免觸碰磁力攪拌子）。

（3）待示數(shù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊軟件“采集”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)。向量熱杯中迅速加入試劑B，蓋緊量熱杯；待溫度達(dá)到最高值且開始減少一段時(shí)間后，點(diǎn)擊軟件“停止”按鈕，停止采集并保存數(shù)據(jù)；每組實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次。endprint

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 中和熱測(cè)量結(jié)果

圖8為實(shí)驗(yàn)采集到的某次鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)時(shí)溫度變化曲線，為減小外界溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差，對(duì)曲線進(jìn)行雷諾校準(zhǔn)。

進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表3，計(jì)算時(shí)，進(jìn)行如下近似處理：（1）計(jì)算溶液總質(zhì)量時(shí)，鹽酸和氫氧化鈉溶液的密度都近似為ρ= 1g/mL；（2）忽略實(shí)驗(yàn)裝置的比熱容，溶液比熱容近似使用水的比熱容c=4.18 J/（g·℃）。計(jì)算得到鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的中和熱為-55.50kJ/mol，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)-55.90kJ/mol接近。

2.4.2 燃燒熱測(cè)量結(jié)果

對(duì)鎂粉與鹽酸、氧化鎂（粉末）與鹽酸反應(yīng)的溫度變化曲線，分別進(jìn)行雷諾校準(zhǔn)，如圖9和圖10所示。

各組實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次后，測(cè)得數(shù)據(jù)如表4，計(jì)算時(shí)同樣進(jìn)行近似處理，忽略實(shí)驗(yàn)裝置的比熱容，將溶液的密度和比熱容近似看成水的。經(jīng)計(jì)算：ΔH=ΔH1+ΔH3-ΔH2=-450.46kJ/mol-285.80kJ/mol-（-138.40kJ/mol）=-597.86kJ/mol，與理論值-601.6kJ/mol存在一定誤差。相比中和熱測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫差較大，其中Mg與鹽酸反應(yīng)伴有氣體生成，容易向環(huán)境輻射熱量，且本實(shí)驗(yàn)溶液濃度較濃、質(zhì)量較大、比熱容和密度也與水有較大差別，近似處理造成的誤差增大。

3 小結(jié)

利用手持技術(shù)測(cè)量液體氣化溫差和溶液反應(yīng)溫差，感知分子間作用力的強(qiáng)弱、氫鍵的存在以及中和反應(yīng)、燃燒反應(yīng)的放熱情況，屬于定性認(rèn)識(shí)層面，而通過溶液反應(yīng)溫差的進(jìn)一步計(jì)算分析，特別是運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算，得出中和熱、Mg的燃燒熱等數(shù)值，屬于定量認(rèn)識(shí)層面。這幾組教學(xué)實(shí)驗(yàn)通過溫差測(cè)量可培養(yǎng)學(xué)生的定量意識(shí)，也為從微觀層面解釋宏觀現(xiàn)象提供數(shù)字化實(shí)驗(yàn)佐證，特別是改變了“分子間作用力”教學(xué)缺乏實(shí)驗(yàn)操作的現(xiàn)狀，對(duì)發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)有重要影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] Evaporation and Intermolecular Attractions [M/OL]. https：//www.vernier.com/.2017-07-31.

[2] Heat of Combustion： Magnesium [M/OL]. https：// www.vernier.com/.2017-07-31.

[3]白濤等.化學(xué)：為什么是這樣？——基于手持技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探索[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4][美] J. A.迪安主編.魏俊發(fā)等譯.蘭氏化學(xué)手冊(cè)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2003：6，144，1026.endprint