吸熱與放熱反應實驗簡易裝置的設計

劉艷芳 王國勤 楊麗君

摘要：人教版高中化學教材中吸熱反應實驗產生的氨氣和鋇離子對環境有污染，為此對實驗進行改進。用易得的透明PVC加厚手套作為反應容器，既可測定體系吸熱或放熱，也可將化學反應與除雜等相整合;溫度傳感器的使用能即時顯示反應溫度的變化;以手捏方式混合固體反應物，學生能直觀感受反應體系溫度的上升與下降;實驗現象明顯，有助于學生理解化學反應與能量變化。改進后的實驗裝置具有材料易得、操作簡單、藥品用量少、現象明顯、趣味性強等特點。

關鍵詞： 吸熱反應; 放熱反應; 溫度傳感器; 裝置改進

文章編號： 1005-6629（2022）03-0062-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

人教版高中化學教材中吸熱與放熱反應的實驗對培養學生的化學反應與能量意識有重要作用。教材中的放熱實驗，是將鎂條與鹽酸放入試管中反應，利用溫度計監測反應溫度的變化。實驗器材易得，操作簡單，溫度上升明顯;教材中的吸熱實驗，將20g Ba（OH）2·8H2O與10g NH4Cl放入敞口的燒杯中，燒杯放在滴有水的木片上，用玻璃棒攪拌，聞到氣味后用玻璃片蓋住燒杯，通過觀察燒杯底部小木片不掉落得知反應為吸熱反應。該實驗方案也具有簡單易操作，器材易得等特點。然而，這兩個實驗均存在以下不足：（1）吸熱反應與放熱反應分開進行，實驗耗時增加，且不利于同時對比吸熱與放熱現象;（2）作為演示實驗，學生除了觀察溫度計讀數的變化外，沒有直觀感受溫度上升與下降的體驗;（3）實驗完成后重金屬鋇離子直接排放，沒有進行處理;（4）反應產生的有刺激性氣味的氨氣污染教學環境，且沒有對氨氣進行檢驗;（5）吸熱反應能否使燒杯與木片間的水凝結成冰易受室溫的影響，如果室溫較高，實驗結果難以實現;（6）吸熱實驗為了使燒杯與木片間的水凝結成冰，藥品用量一般較多，造成很大浪費和實驗污染。鑒于教材中的實驗方法存在諸多不足，本研究利用數字化實驗技術、透明PVC加厚手套設計吸熱反應和放熱反應的簡易實驗裝置，用手捏方式混合固體反應物感知溫度的升與降，也可運用手持技術監測反應過程中溫度的變化。反應完成之后直接用酸吸收處理氨氣和重金屬鋇離子。整個實驗過程操作簡單、綠色環保、現象直觀、趣味性強、學生參與度高，既可作為教師演示實驗，也能作為學生分組實驗，有較好的教學效果。

2 實驗改進現狀分析

為了解吸熱和放熱反應實驗研究的進展與現狀，查閱了大量的相關資料。發現文獻中對吸熱反應實驗進行改進的研究較多。除了研究Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的代用品及藥品用量外[1，2]，主要集中在以下幾個方面： 一是對氨氣的處理，以解決環境污染問題;二是對測溫方法的改進，以使溫度的數字變化的可觀察性更好[3～5];三是對實驗裝置的改進，包括反應容器、攪拌裝置等，且增加了實驗的趣味性[6]。

以上幾種改進方案實驗現象雖較明顯，但藥品用量、環保性、數字化、趣味性等方面仍存在較大差異和不足。

綜上所述，很有必要對吸熱和放熱反應實驗再作研究，以尋求一個更理想的實驗方案： 能將吸熱與放熱反應作對比，減少藥品用量，使攪拌變得充分且輕松有趣，能通過觸摸感知放熱與吸熱，能解決氨氣與重金屬鋇離子的污染問題，還能運用數字化技術，使溫度變化一目了然，讓學生輕松參與到化學反應的實驗中來。

3 吸熱與放熱反應實驗簡易裝置的新設計

3.1 實驗試劑的選擇

通過文獻檢索，選擇了文獻中效果較好的NH4HCO3、 NaHCO3分別和HCl、 CH3COOH、 H2SO4反應[7，8]，將其與Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應進行對比，探究反應引起的溫度變化。實驗結果如表1所示。實驗1～7控制NaHCO3、 Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物質的量為0.1mol，保持液體反應物體積為10mL。實驗8～11控制Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物質的量為0.01mol，保持液體反應物體積為3mL。

由表1實驗1～7得知，溫度變化最大的是Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應，溫度降低38.7℃，體系最終溫度-15.2℃。其次是NH4HCO3與HCl、 CH3COOH、 H2SO4反應，溫度可以降低約17℃左右。NaHCO3與HCl反應，溫度可以降低約13℃左右。實驗8～11表明，藥品用量降低到原來的1/10時，NH4HCO3與酸反應使體系的溫度降低值達到了10℃左右，但Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應使體系的溫度降低值是NH4HCO3與酸反應的兩倍，降低了26℃。

基于以上實驗結果，考慮到并非所有的學校都配置有溫度傳感器，故改進實驗采用藥品用量少但降溫效果明顯的Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反應，讓學生用手觸摸去直觀感知化學反應引起的溫度變化，體現化學的趣味性。反應后對重金屬鋇離子可用裝置中的稀硫酸除去，體現了環保性。另外，實驗中0.01mol NH4HCO3與HCl、 CH3COOH的反應降溫達到了10℃以上，是人體感官能感受到的溫度變化，因此NH4HCO3與HCl、 CH3COOH的反應也可替代Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應。

3.2 實驗儀器及試劑

實驗儀器： Vernier數據采集器、計算機（安裝Logger Pro軟件）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、電子天平、透明PVC加厚手套、鐵架臺（帶鐵夾）、膠頭滴管、量筒（10mL）、四條細繩、大試管（30mm×200mm）、紙槽、透明膠帶

試劑： Ba（OH）2·8H2O固體、NH4Cl固體、2.0mol/L H2SO4、鎂條、酚酞試劑

3.3 實驗步驟

（1） 取透明PVC加厚手套一只，將手套的1號和3號手指放入兩只相同高度的試管中，便于裝入藥品。

（2） 在1號手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，3號手指中裝入碾磨好的3.0g Ba（OH）2·8H2O固體。

（3） 把手套拿出，用細繩將1號和3號手指捆好后，再將手套的1～4號手指放入四只相同高度的試管中，在1號手指中加入兩條長5mm的鎂條，在2號手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，在3號手指中加入碾磨好的1.0g NH4Cl固體，將浸有酚酞試劑的小花形濾紙用透明膠帶粘貼到4號手指上方，拿出手套（見圖1）。

（4） 將兩支不銹鋼溫度傳感器放入1號和3號手指，將手套口用透明膠帶密封后粘貼到不銹鋼溫度傳感器上，打開Vernier Logger Pro軟件，設置好參數后點擊采集按鈕。

（5） 同時解開1號和3號手指上的捆繩，上移透明膠帶至傳感器手柄，使不銹鋼溫度傳感器接觸反應物，以手捏方式混合3號手指中的藥品，使其開始反應。待反應結束點擊結束按鈕，停止采集數據。

（6） 用手觸摸1號和3號手指的溫度變化，并與2號手指的溫度作對比。觀察小花的顏色變化。反應結束后，下移透明膠帶，使溫度傳感器在掌心處，將1號和2號手指中的溶液倒入3號手指中，以吸收氨氣和處理鋇離子。取下手套，用透明膠帶粘貼好手套口，反應結束。實驗裝置如圖1所示。

3.4 實驗現象

1號手指中有氣泡產生，溫度升高約39℃，該反應為放熱反應，溫度變化如圖2（上方線）所示。反應的化學方程式為Mg+H2SO4MgSO4+H2↑。

3號手指中的固體變為糊狀，溫度降低約34℃，該反應為吸熱反應，溫度變化曲線如圖2（下方線）所示。反應的化學方程式為

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O。

4號手指上方的小花變為紅色，說明反應有氨氣生成。

1號手指中產生的氫氣和3號手指中產生的氨氣使手套略微鼓起。

將1號和2號手指中的溶液倒入3號手指后，有白色沉淀生成，且溫度升高。反應的方程式為2NH3+H2SO4（NH4）2SO4，Ba2++SO2-4BaSO4↓。

查閱2003年版蘭氏化學手冊部分物質的標準摩爾生成焓數值，計算反應Ba2+（aq）+SO2-4（aq）BaSO4（s）的焓變： ΔH=-1473.19kJ/mol-（-537.64kJ/mol）-（-909.34kJ/mol）=-26.21kJ/mol，該反應為放熱反應，因此混合后溶液溫度會升高。

3.5 實驗注意事項

（1） 將兩支不銹鋼溫度傳感器固定在適當的高度，確保同時接觸到反應物。

（2） 膠頭滴管需伸進手套手指底部加入稀硫酸，避免稀硫酸附著在手指上部與鎂條反應;用紙槽加入固體藥品時需小心，避免灑落。

（3） 第二次將手套放入試管中時，需小心晃動試管使裝有藥品的手指下落到試管中，防止因擠壓漏出稀硫酸。

（4） 粘貼透明膠帶時要注意，讓手套口的內側低于外側，用透明膠帶的下半部分封住手套口，確保密封;透明膠帶的上半部分粘貼在不銹鋼溫度傳感器上，便于上下移動。

（5） 選用NH4HCO3與HCl、 CH3COOH反應時，需注意將液體藥品放在手套手指下端，固體藥品放在上端，中間用細線隔開。

3.6 實驗總結

（1） 本實驗最大的創新點在于將吸熱和放熱兩個不同的反應置于一個透明的PVC加厚手套中，但裝置卻很簡便，藥品用量少，氣密性好，可操作性強，現象明顯，無環境污染。

（2） 裝置簡單但反應卻不簡單，不僅適用于教師演示，也可作為學生分組實驗，同時也適用于基礎設施較落后的學校。

（3） 將吸熱與放熱反應進行實時對比，讓學生用手觸摸并攪拌反應物，可直觀感受到化學反應有吸熱和放熱之分，增添了實驗的趣味性。

（4） 裝置集化學反應與廢氣、廢液處理于一體。2號手指中的5mL硫酸既起到對比溫度下降與上升的作用，又有除去鋇離子和氨氣的作用。氨氣不會逸出污染教學環境，鋇離子被結合生成硫酸鋇沉淀。

（5） 實驗過程中使用溫度傳感器測量溫度的變化，能夠便捷地感知實驗動態，體驗放熱和吸熱反應的含義。

參考文獻：

[1][7]蒯世定，劉懷樂. 關于吸熱反應實驗的研究[J]. 化學教學，2002，（5）： 12～13.

[2]李靜雯，陳懿. 吸熱反應實驗創新設計[J]. 化學教學，2015，（4）： 53～55.

[3]張麗敏，劉金輝，李興. 吸熱反應實驗的再研究[J]. 化學教學，2020，（9）： 66～69.

[4]梁勝金. 吸熱反應實驗的新設計[J]. 化學教學，2018，（11）： 80～81，89.

[5]王壽紅. 基于數字化手持技術的化學實驗改進——以“化學反應中的能量變化”為例[J]. 教育與裝備研究，2019，35（7）： 21～24.

[6]羅佳美，嚴文法. “冰山紅蓮”： 高中化學吸熱反應演示實驗的再改進[J]. 中學化學教學參考，2018，（19）： 39～40.

[8]李靜雯，陳懿. 吸熱反應實驗創新設計[J]. 化學教學，2015，（4）： 53～55.