基于數字實驗技術探究分子間作用力和氫鍵存在的實驗創新

戈益超 魏魏

一、問題提出

常規教學中認識影響物質的熔沸點的因素，主要是從分子間作用力和氫鍵兩方面入手，但是由于高中階段學生還未接觸分子間作用力相關的概念，如分子極性、極化率等，無法從微觀層面科學地理解和比較不同分子的分子間作用力大小，因此大多數學生只能將該規律死記硬背，教師在這方面教學也是一帶而過。那么如何讓學生能夠直觀地感受分子間作用力和氫鍵對物質熔沸點的影響呢？

二、實驗原理

基于有機物的熔沸點主要是由物質的分子間作用力決定，而分子間作用力是分子與原子之間的靜電作用。而在其他條件相同的情況下，液體分子間的作用力越小，該液體越易揮發，蒸發時溫度下降更多更快。故采用溫度傳感器測定有機物揮發造成溫度下降快慢的方式來感受分子間作用力對有機物沸點的影響。實驗直觀、耗時短且可重復性強。

三、實驗用品

儀器：電腦、威尼爾牌溫度傳感器、高溫溫度傳感器、數據采集器、計算機、燒杯、熔點管、紗布。

藥品：乙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇、叔丁醇、鄰羥基苯甲酸、對羥基苯甲酸。

四、實驗過程

實驗1：探究相對分子質量對分子間作用力的影響

實驗方案：本實驗采用同系物醇（乙醇、正丙醇、正丁醇）類作為實驗載體，通過測定揮發過程中溫度下降快慢來判斷分子質量對分子間作用力的影響。用量筒量取等量（約20mL）的乙醇、正丙醇、正丁醇，分別倒入3個相同的小燒杯中，將卷著白紗布（增加蒸發面積）的溫度探頭分別同時浸入三個燒杯中，經過5s，同時將溫度計探頭提起，平行放在實驗架上，觀察溫度讀數變化（此時將燒杯移開，避免影響檢測）。在相同條件下，進行多次檢測，完成實驗，并比較和分析實驗結果。

實驗現象及結論：蘸有三種物質的傳感器溫度變化如圖所示，其中乙醇降低最快，正丁醇降低最慢。從而得出結論，一般來說，對于組成和結構相似的有機物，相對分子質量越大，分子間作用力越大，物質的熔點、沸點越高。

實驗2：探究支鏈對分子間作用力的影響

實驗方案：綜合考慮實驗穩定性，通過大量實驗后我們選擇了分子質量相同的且含有羥基的三種醇，即正丁醇、異丁醇、叔丁醇作為測定對象，重復上面實驗，通過傳感器測定三種醇蒸發時溫度變化規律，從而可以得出分子間作用力影響因素。

從上圖可以看出叔丁醇的溫度降得最快，即叔丁醇內克服分子間作用力最小，反之正丁醇分子間作用力最大。因此，對于相對分子質量相同且結構相似的有機物，支鏈越多，熔沸點越低。

實驗3：基于同分異構體探究氫鍵的存在

實驗方案：我們選擇了分子間氫鍵和分子內氫鍵的物質進行對比實驗，考慮到物質的常見性和實驗的可行性，我們選擇了鄰、對羥基苯甲酸作為實驗對象，設計出利用高溫傳感器，來觀測兩種物質在熔化時溫度的變化。但是如果直接放置空氣中加熱測量熔點，很快就會發生氧化反應，從而無法測定熔點。后來想到采用封閉試管中加熱，但是效果也不明顯。最后改進為熔點管測定法，采用硅油作熱介質，既增強了實驗的安全性，也增加了實驗的可比性。

結論：在影響物質熔沸點等其他外界條件相同的情況下，不同類型的氫鍵對物質的熔沸點影響不同，其中存在分子內氫鍵的物質熔沸點低于存在分子間氫鍵的物質。

五、創新和收獲

首先，本實驗在相同條件下利用手持技術測量不同液體蒸發時溫度的變化曲線，促進學生在微觀層面科學地理解和比較不同分子的分子間作用力，進而能夠得出分子間作用力影響規律。

其次，本實驗得出的結果與理論相符，而且數據重現性高，操作簡單，耗時短，適合學生課外活動。為“分子間作用力影響物質熔沸點”提供有效且易實現的實驗手段。

最后，本實驗采用室溫下易蒸發的且毒性很小的物質來完成實驗有利于減小毒害性，采用熔點管測定氫鍵影響實驗體現了安全性和對比性。

注：本文為安徽省教育規劃辦省級課題《基于化學學科核心素養的數字實驗創新研究》研究成果，課題編號：JK17047。

編輯 李博寧