基于温差测量的数字化实验两则

2018-02-05白涛冉甜谢乐欣

化学教学 2017年12期

白涛+冉甜+谢乐欣

摘要：设计两个利用温度传感器测量过程温差的实验。分别测量C1～C4醇类和C5～C6烷烃有机物蒸发过程的吸热温差数据，说明不同有机物分子间作用力有差异；测量盐酸与氢氧化钠溶液（或金属Mg及MgO与盐酸溶液）放热反应过程的温差数据，计算得出中和反应的反应热（或结合盖斯定律推算金属Mg的燃烧热）。

关键词：数字化实验；温差测定；分子间作用力；反应热；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）12–0054–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

数字化实验是以传感器为核心的实验系统，温度传感器是操作简便、使用广泛的传感器之一[1～3]，相比温度计能更准确地测量和记录物质变化过程中的温度改变情况，进而感知物质变化时的能量变化。基于此，设计了两则通过温差测量数据，说明分子间存在作用力，以及测定中和热和镁的燃烧热的实验。

1 通过测量液体气化温差感知分子间作用力

1.1 实验原理

液态（凝聚态）物质蒸发（挥发）过程中，动能较大的分子会从体系中逸出，逸出的分子需克服表层分子对其的吸引作用而做功，若环境无法及时给体系补充能量，体系的温度便会降低，温度降低的大小和快慢与分子间作用力的强度有关。

分子间作用力包含范德华力和氢键，范德华力又包含取向力（永久偶极-永久偶极作用）、诱导力（永久偶极-诱导偶极作用）、色散力（瞬间偶极-瞬间偶极作用）。烷烃和醇两个同系列有机物分子随相对分子质量的增大，分子电子云变形性增大，使范德华力增大。正丁醇和乙醚互为同分异构体，由于正丁醇中含有“羟基”结构，使正丁醇形成一种特殊的、较强的分子间作用力——氢键。

1.2 实验用品

仪器：计算机、数据采集器、温度传感器、定性滤纸

试剂：甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊烷、正己烷、乙醚

1.3 实验步骤

（1）如图1，将计算机、数据采集器、温度传感器三者相连接，打开Logger Pro软件。

（2）用橡胶圈固定滤纸（3cm×0.5cm）于温度传感器测量端，并插入待测液中使滤纸吸附待测液体，待温度示数稳定后开始采集数据，约10s后，取出温度传感器置于空气中（如图1）放置。

（3）待温度回升一段时间后，停止采集并保存数据。

1.4 实验结果

1.4.1 C1～C4醇类和C5～C6烷烃气化过程的温差

C1～C4醇类气化过程温度变化如图2所示，测得气化温差（初始温度和最低温度之差）为：甲醇（13.9℃）>乙醇（9.2℃）>正丙醇（8.7℃）>正丁醇（4.6℃）。与其醇类沸点（如图3）、相对分子质量变化趋势相反。

C5～C6烷烃气化过程温度变化如图4所示，测得气化温差为：正戊烷（20.9℃）>正己烷（12.4℃）。也与其沸点、相对分子质量变化趋势相反。

C1～C4醇类、C5～C6烷烃的气化温差说明，气化温差和沸点与其相对分子质量有关，分子气化过程中需要克服分子间作用力，故气化温差和沸点的差异来源于物质分子间作用力的差别，特别是范德华力中的色散力的差别，而分子越大、分子内电子越多，分子刚性越差，分子里的电子云越松散，越容易变形，色散力就越大，所以同系物中相对分子质量越大表明分子越大、分子內电子也越多，分子间作用力（色散力）越强。

1.4.2 正丁醇和乙醚的气化温差

正丁醇和乙醚气化过程温度变化如图5所示，测得气化温差为：正丁醇（4.6℃）<乙醚（9.8℃）。

正丁醇和乙醚互为同分异构体，正丁醇气化温差较小，而乙醚气化温差较大，这是由于在正丁醇分子间除范德华力外，还存在作用更强的氢键，而乙醚分子间却只存在范德华力的缘故。

综上所述，实验通过测量液体气化吸热温差可定性（半定量）地感知分子间作用力（包括氢键）的存在和强弱。

2 通过测量溶液反应温差测定中和热、燃烧热

2.1 实验原理

2.2 实验用品

仪器：计算机、数据采集器、温度传感器、简易量热杯（或保温杯）、磁力搅拌器（予华DJ型）、磁力搅拌子、移液管（50.00mL）、分析天平

试剂：中和热和燃烧热测量所需试剂见表1

2.3 实验步骤

（1）将计算机、数据采集器、温度传感器三者相连接，打开Logger Pro软件。

（2）用移液管量取试剂A注入简易量热杯中，打开磁力搅拌器对溶液进行搅拌，将温度传感器插入溶液中（避免触碰磁力搅拌子）。

（3）待示数稳定后点击软件“采集”按钮，开始采集数据。向量热杯中迅速加入试剂B，盖紧量热杯；待温度达到最高值且开始减少一段时间后，点击软件“停止”按钮，停止采集并保存数据；每组实验平行进行三次。endprint

2.4 实验结果

2.4.1 中和热测量结果

图8为实验采集到的某次盐酸和氢氧化钠溶液反应时温度变化曲线，为减小外界温度对实验造成的误差，对曲线进行雷诺校准。

进行三次平行实验后，实验测得数据如表3，计算时，进行如下近似处理：（1）计算溶液总质量时，盐酸和氢氧化钠溶液的密度都近似为ρ= 1g/mL；（2）忽略实验装置的比热容，溶液比热容近似使用水的比热容c=4.18 J/（g·℃）。计算得到盐酸和氢氧化钠溶液反应的中和热为-55.50kJ/mol，与文献数据-55.90kJ/mol接近。

2.4.2 燃烧热测量结果

对镁粉与盐酸、氧化镁（粉末）与盐酸反应的温度变化曲线，分别进行雷诺校准，如图9和图10所示。

各组实验平行进行三次后，测得数据如表4，计算时同样进行近似处理，忽略实验装置的比热容，将溶液的密度和比热容近似看成水的。经计算：ΔH=ΔH1+ΔH3-ΔH2=-450.46kJ/mol-285.80kJ/mol-（-138.40kJ/mol）=-597.86kJ/mol，與理论值-601.6kJ/mol存在一定误差。相比中和热测量，本实验测量的温差较大，其中Mg与盐酸反应伴有气体生成，容易向环境辐射热量，且本实验溶液浓度较浓、质量较大、比热容和密度也与水有较大差别，近似处理造成的误差增大。

3 小结

利用手持技术测量液体气化温差和溶液反应温差，感知分子间作用力的强弱、氢键的存在以及中和反应、燃烧反应的放热情况，属于定性认识层面，而通过溶液反应温差的进一步计算分析，特别是运用盖斯定律进行计算，得出中和热、Mg的燃烧热等数值，属于定量认识层面。这几组教学实验通过温差测量可培养学生的定量意识，也为从微观层面解释宏观现象提供数字化实验佐证，特别是改变了“分子间作用力”教学缺乏实验操作的现状，对发展学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养有重要影响。