“看見”分子間作用力的數字化實驗設計

基金項目：本文系中國教育學會“化學實驗教學”專項課題重點課題“化學數字化實驗在跨學科實踐活動中的應用研究”（202300170802ZXA）、江蘇省教育科學“十四五”規劃課題“高中化學認知模型建構的實踐研究”（D/2021/02/540）、江蘇省中小學教學研究第十四期課題“高中化學學業質量標準的實施策略研究”（2021JY14-ZB10）的階段性研究成果。

摘" 要：本文通過四組數字化實驗，將分子間作用力的存在表征為液體揮發時溫度和氣壓的變化數據；通過實驗測定液體有機物在常壓下揮發時的溫度變化數據以及負壓條件下揮發時的氣壓變化數據，雙重表征分子間作用力的存在，實現思維可視化，幫助學生形成證據意識，提升分析問題與解決問題的能力。

關鍵詞：數字化實驗；分子間作用力；溫度變化；氣壓變化

文章編號：

1008-0546（2024）14-0089-03

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

一、

問題的提出

分子間作用力是高中階段的重要概念，源自《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》模塊2“物質結構與性質”主題2“微粒間的相互作用與物質的性質”［1］

，該主題涉及微觀層面，理論性強、內容抽象，學生不易理解。在“教學策略”中指出，教學要關注不同類型微粒間相互作用概念的形成和發展思路，充分利用建立這些概念所使用的關鍵證據，通過實驗事實和數據的對比，引發學生的認知沖突，引導學生進行解釋。通過分子間作用力落實“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”等核心素養，教師要精心設計實驗探究活動，促進學習方式轉變，發展可視化思維，讓學生“看見”分子間作用力。

二、“看見”分子間作用力的數字化實驗設計

通過檢索發現，關于分子間作用力的可視化實驗改進文獻較少。從研究的反應底物來看，實驗選擇的物質主要集中在醇類，如林丹萍等［2］利用手持技術數字化實驗探究比較丁醇同分異構體的分子間作用力大小；王西宇等［3］利用手持技術數字化實驗比較丙二醇兩種同分異構體的分子間作用力大小；王立新等［4］利用手持技術數字化實驗構建“分子間作用力”TQVC概念認知模型，即“轉化—量化感知—視覺感知—比較”概念認知模型等。

由于醇類分子間同時存在氫鍵和范德華力兩種分子間作用力，所以兩種分子間作用力的相對大小難以通過實驗進行比較。王春［5］借助溫度傳感器實驗測定常見烷烴、醇類蒸發時的溫度變化曲線，直觀表征分子間作用力，幫助學生理解同系物和同分異構體等概念內涵。從實驗測量視角來看，該類研究只有單一的溫度視角，對于分子間作用力大小的量化表征不夠全面。

本研究選取了中學常見的正戊烷、正己烷、正庚烷以及相對分子質量與正己烷接近的正丁醇設計數字化實驗，測定常壓下液體有機物揮發時的溫度變化數據以及負壓條件下液體有機物揮發時的氣壓變化數據。通過雙重表征方式，使微觀的、抽象的分子間作用力以直觀的、可視化的形式呈現，促進學生對于氫鍵和范德華力的存在及其影響因素的認知與理解。

1. 實驗原理

一定外界條件下，液體表面的分子暴露在空氣中，需要吸收一定的能量來掙脫液體進入空氣中。只有超過平均分子動能的分子才可以克服鄰近分子的吸引力，逸出液面進入氣相。在環境不能提供能量補充時，體系溫度就會下降，密閉體系中氣體壓強增大。物質的揮發性、蒸氣壓均與分子間作用力呈負相關。換言之，分子間作用力越大，分子從液體物質表面逃逸的傾向越小，物質的揮發性越小，體系的氣壓越小，且相同時間內揮發時溫度降低幅度越小。

本研究通過溫度傳感器、氣壓傳感器，分別測定常壓下三種烷烴同系物及正丁醇揮發時的溫度下降幅度，以及負壓條件下揮發時氣壓增大幅度來比較分子間作用力的大小。

2. 實驗器材、藥品及裝置

（1）實驗器材。

Logger Pro數字化實驗系統（溫度傳感器、氣壓傳感器、數據采集器）、濾紙、小試劑瓶、塑膠套圈、乳膠手套。

（2）實驗藥品。

正戊烷、正己烷、正庚烷、正丁醇。

（3）實驗裝置。

溫度傳感器測定揮發溫度裝置、氣壓傳感器測定蒸氣壓裝置分別如圖1和圖2所示。

3. 實驗方案

本研究根據測量變量和實驗類型，開展了四組實驗，具體實驗方案如表1所示。

4. 實驗步驟及數據分析

四組實驗在溫度、大氣壓、濕度、空氣流速等相同條件下進行，具體的實驗步驟及數據分析如下。

［實驗1］將溫度傳感器接入Logger Pro數字化實驗系統，分別用浸潤過正戊烷、正己烷、正庚烷的濾紙包裹溫度傳感器探頭，測定三種物質常壓下揮發時的溫度變化數據，并繪制曲線，如圖3所示。

圖3中曲線均下降說明揮發過程吸熱，且三條曲線依次對應的三種物質范德華力有所差異。正戊烷的溫度下降最多，正庚烷下降最少，說明相對分子質量越大，范德華力越大。后續正戊烷曲線上升是由于正戊烷的相對分子質量較小，范德華力較小，揮發速率較快，先揮發完成；此時體系溫度低于環境溫度，隨時間增加，溫度逐漸上升。

［實驗2］將氣壓傳感器接入Logger Pro數字化實驗系統，分別用注射器吸取相同體積的正戊烷、正己烷和正庚烷液體，連接好氣壓傳感器，將注射器向外抽拉至相同刻度并固定，測定三種液體物質負壓下揮發時的氣壓變化數據，并繪制曲線，如圖4所示。

由圖4可知，相對分子質量最大的正庚烷，其具有的范德華力也最大，相同負壓條件下產生的蒸氣壓更小，單位時間內氣壓就越小。實驗2從氣壓視角進一步證實了范德華力的存在及其影響因素，補充了溫度視角的證據。

［實驗3］將溫度傳感器接入Logger Pro數字化實驗系統，分別用浸潤過正丁醇和正己烷的濾紙包裹溫度傳感器探頭，測定兩種物質常壓下揮發時的溫度變化數據，并繪制曲線，如圖5所示。

由圖5知，單位時間內，相對分子質量較小的正丁醇在揮發時溫度降低反而更少。這一實驗結果與正丁醇的范德華力比正己烷小的事實相悖，說明在正丁醇分子之間必然存在另外一種區別于范德華力的作用力：氫鍵。由圖不難推理出氫鍵的強度大于范德華力。

［實驗4］將氣壓傳感器接入Logger Pro數字化實驗系統，分別用注射器抽取相同體積的正丁醇和正己烷，連接好氣壓傳感器，將注射器向外抽拉相同體積并固定，測定兩種液體物質負壓下揮發時的氣壓變化數據，并繪制曲線，如圖6所示。

由圖6可知，相對分子質量較小的正丁醇在相同負壓條件下產生的蒸氣壓更低，說明正丁醇分子間存在著強度大于范德華力的氫鍵。實驗3、實驗4同時從溫度和氣壓兩個視角設計實驗，尋求證據，較為全面地證實了范德華力與氫鍵的存在，并通過實驗結果推理出范德華力的影響因素及氫鍵的強度大小。

5. 實驗結論

本研究通過溫度傳感器、氣壓傳感器對三種烷烴同系物及正丁醇揮發時溫度與氣壓變化，表征分子間作用力的存在和相對大小。通過比較四組實驗數據曲線，得到以下結論。

（1） 三種烷烴同系物的溫度—時間變化曲線與氣壓—時間變化曲線反映了分子間范德華力的存在；三種烷烴同系物的組成和結構相似，相對分子質量越大，范德華力越大。

（2）與正己烷相比，正丁醇的相對分子質量更小，范德華力更小；但正丁醇分子間存在氫鍵，遠大于正己烷分子之間的范德華力，因此正丁醇分子間作用力大于正己烷。

6. 實驗成功的關鍵

本研究的四組對照實驗需要控制變量，在相同溫度、氣壓、空氣濕度和空氣流速的情況下實施，具體要求如下。

（1）實驗1、實驗3中測定溫度—時間變化曲線時，使用的溫度傳感器探頭用濾紙包裹蘸取有機物，確保包裹濾紙的大小與包裹面積相近，并用橡膠套圈固定住濾紙。

（2）選取容積相同的小試劑瓶，各倒入相同體積的有機物液體使液面處于同一水平線上，溫度傳感器探頭浸入液體中的高度和浸潤時間相同，確保探頭取樣量相近。

（3）實驗2與實驗4中測定氣壓—時間變化曲線時，使用規格相同的注射器抽取相同體積的液體，向外抽拉相同體積，以產生相同的負壓，并用燕尾夾固定住，以確保產生的負壓相近。

（4）四組實驗需同時進行對照實驗，調節起始溫度、氣壓基本相同時再開始采集數據。

三、

實驗設計的意義

本實驗通過四組數字化實驗從溫度與氣壓兩個視角同時尋求證據，證實分子間存在范德華力與氫鍵，同時厘清了范德華力的影響因素及氫鍵的強度。四組對比實驗引導學生形成證據意識，通過數字化實驗實現思維的可視化，落實“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養，培養學生使用科學方法的能力，提供給學生分析問題和解決問題的方法，提升學生的實驗探究能力。

本數字化實驗在后續教學中還可進一步拓展，將底物拓展到同分異構體，如正己烷與2-甲基戊烷、鄰羥基苯甲醛與對羥基苯甲醛、正丁醇和乙醚等，增加數字化實驗宏觀表征微觀粒子結構的普適性，促進學生對分子間作用本質的理解。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］林丹萍，錢揚義，王立新，等.手持技術數字化實驗支持下的抽象化學概念學習——以探究比較丁醇同分異構體的分子間作用力大小為例［J］.化學教育（中英文），2020（1）：74-78.

［3］王西宇，錢揚義，黃樂顯.應用手持技術數字化實驗比較“丙二醇的2種同分異構體”分子間作用力大小［J］.化學教育（中英文），2020（17）：86-91.

［4］王立新，錢揚義，蘇華虹，等.手持技術數字化實驗與化學教學的深度融合：從“研究案例”到“認知模型”——TQVC概念認知模型的建構［J］.遠程教育雜志，2018（4）：104-112.

［5］王春.借助溫度傳感器實驗比較有機物分子間作用力的大小［J］.化學教學，2022（1）：56-60.