水溶液凝固点及沸点测定实验的数字化改进

2017-01-05严西平钱蕙孙馨陈学东

化学教学 2016年11期

严西平+钱蕙+孙馨+陈学东

摘要：初中教材中测定水溶液凝固温度（凝固点）实验因观察起始凝固温度困难、数据波动性较大等弊端而备受争议。运用了温度传感技术对该实验作了改进，进一步开发了水溶液沸腾温度（沸点）测定的数字化实验。结果表明：数字化实验的优点是测温准确、数据精度高、稳定性好，实验过程有利于学生观察；结合特有的回放技术，可以提升探究教学的品质。

关键词：水溶液；凝固点及沸点测定；数字化实验；实验改进

文章编号：1005–6629（2016）11–0078–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

旧版的沪教版初中教材[1]中水溶液凝固温度的实验装置如图1所示，这个实验可以帮助初中生直观地认识溶液的性质之一：“稀溶液的凝固温度低于水的凝固温度（0℃）”，实质性地帮助理解“汽车水箱中加入防冻剂乙二醇和积雪路面撒盐等应用”。这个实验曾存在多年，也是沪教版教材比较有特色的实验之一。但是因为冰盐混合物的低温会使烧杯和试管外壁凝聚冰霜从而影响到察觉试管中溶液何时结冰，而且因条件不易控制往往造成分组实验组间记录差距较大，有些时候还会出现“水、蔗糖水、食盐水”三种液体凝固温度相同或颠倒的情况；如果改为演示，仅少数学生能近距离观察到现象和示数，不利于惠及全体学生。可能是这些争议导致新版教材取消了这个实验，只剩下上述结论[2]，造成教学机械化甚为可惜。

为了弥补这个缺憾，我们基于温度传感技术，开发了数字化实验，不仅能够将探测的温度实时反映到投影屏幕上，使全体学生都能切实感受到溶液的温度变化，而且测温过程不受冰霜凝结和人为因素的干扰，测量精密度高、温度曲线测定变化稳定性好。运用同样的技术我们还开发了测量水溶液沸腾温度的数字化实验，结果也能让学生印证“稀溶液的沸腾温度高于水的沸腾温度（100℃）”[2]，容易理解“煮沸的汤比沸水的温度高，更容易烫伤口唇”等事实，从而全面地认识和把握溶液这一重要性质。

1 实验原理和认知

随着外界温度降低，水溶液的温度也会随之同步降低，但因溶液蒸气压比纯水低的原因，当溶液温度降至0℃时，水并不会结冰，只有温度降到某一数值（低于0℃）时，水才开始结冰，这个过程会释放出凝固热，大大减缓了溶液温度的持续下降，温度曲线发生明显转折，变为缓慢下降的趋势，那么这个转折点对应的温度就是溶液凝固温度（参见图2，图中t1时刻对应的温度tf就是凝固温度）；反之，当水溶液温度随外界温度上升到100℃时，同样因为溶液的蒸气压小于水的蒸气压不会沸腾，只有温度升至某一数值（高于100℃）时，水才开始沸腾，此时水变成水蒸气吸收体系的热量，大大减缓了温度的持续上升，温度曲线也发生明显转折，变为基本上平缓趋势，这个转折点对应的温度就是溶液的沸腾温度（参见图3，图中t2时刻对应的温度tb就是沸腾温度）。对于初中生而言，物理课中铺垫的“下雪不冷化雪冷”体感和“纯水沸腾温度保持在100℃”体验可以让他们容易理解水的三态变化时温度的变化趋势，换言之，用温度曲线表征不会妨碍认知和内化。

2 实验药品和仪器

2.1 实验药品

氯化钠（分析纯）、蔗糖（分析纯）、蒸馏水、粗盐、冰块

2.2 实验仪器

烧杯、试管、玻璃棒、量筒、胶头滴管、药匙、电子天平、电磁炉、温度传感器（江苏艾迪生数字发展有限公司）、数据采集器（江苏艾迪生数字发展有限公司）、数字化探究实验室系统软件（江苏艾迪生数字发展有限公司）

3 实验装置和步骤

烧杯中冰盐混合物起冷却剂作用（通常可以降至-20℃），小试管中盛放的是实验溶液，温度传感器将实时温度变为适当的物理量，通过数据线传至数据采集器，经数据采集器的分析和处理后，变为可视化的温度曲线呈现出来。

3.1 溶液的凝固点下降

（1）配制溶液：配制质量分数相同的稀的氯化钠溶液和蔗糖溶液。

（2）组装实验仪器：连接温度传感器、数据采集器和艾迪生数字化探究实验系统软件。

（3）制备冷冻混合物：准备一个大烧杯，烧杯中放入大半杯冰块，并向其中加入1/4量的粗盐，充分混合后，获得冷冻混合物。

（4）连接实验仪器：将配制好的氯化钠溶液和蔗糖溶液转移到试管中，将试管放置在步骤（3）准备好的冷冻混合物环境中，用蒸馏水洗涤温度传感器金属探头，并用干燥的纸擦拭干，将温度传感器分别插入盛有氯化钠溶液和蔗糖溶液中（如图4所示）。

（5）设置数据采集参数：设置采集速率为0.5点每秒，即2秒1点。

（6）开始实验数据采集：将采集的数据输出到艾迪生数字化实验探究实验系统软件中，并绘制温度随时间变化曲线图（见图6、图7）。

3.2 溶液的沸点上升

电磁炉可以提供较高且受热均匀的温度（通常可以达到200℃），烧杯中盛放的是实验溶液，温度传感器将实时温度变为适当的物理量，通过数据线传至数据采集器，经数据采集器的分析和处理后，变为可视化的温度曲线呈现出来。

（1）配制溶液：配制质量分数相同的稀的氯化钠溶液和蔗糖溶液。

（2）组装实验仪器：连接温度传感器、数据采集器和艾迪生数字化探究实验系统软件。

（3）电磁炉预热：开启电磁炉，预热。

（4）连接实验仪器：将配制好的氯化钠溶液和蔗糖溶液转移到烧杯中，将烧杯放置在步骤（3）准备好的电磁炉上，用蒸馏水洗涤温度传感器金属探头，并用干燥的纸擦拭干，将温度传感器分别插入盛有氯化钠溶液和蔗糖溶液中（如图5所示）。

（5）设置数据采集参数：设置采集速率为1点每秒，即每秒1点。

（6）开始实验数据采集：将采集的数据输出到艾迪生数字化实验探究实验系统软件中，并绘制温度随时间变化曲线图（见图8、图9）。

4 实验结果和讨论

4.1 实验数据和曲线

（1）对1%、5%、10%、15%、20%五种不同溶质质量分数的食盐水和蔗糖溶液进行测量，结果呈现一致性，即凝固温度：食盐水<蔗糖溶液；沸腾温度：食盐水>蔗糖溶液。以10%食盐水和蔗糖溶液为例（参见图6～图9），-8.5℃（食盐水的凝固温度）<-1.7℃（蔗糖溶液的凝固温度）；109.6℃（食盐水的沸腾温度）>106.3℃（蔗糖溶液的沸腾温度）。

（2）每种浓度的溶液都进行了三次平行实验，结果基本吻合，数据偏差小（基本在5%以内），实验的稳定性和重现性好。

4.2 实验讨论

（1）因1%、5%蔗糖溶液凝固温度下降不显著，为避免因实验的偶然误差造成误解，有利于初中生心理认同，我们选择10%蔗糖溶液和食盐水结果作为参照，对比效果显著。

（2）上述实验结果符合“溶液的沸点上升、凝固点下降取决于一定量的溶剂中加入溶质的物质的量”[3]的定性解释。因为Mr（C12H22O11）=342，Mr（NaCl）=58.5，所以c（C12H22O11）≈0.34mol/L，c（Na+）=c（Cl-）≈1.90 mol/L，也就是说，两种相同体积溶液中溶质的微粒数大约相差近11倍（因氯化钠是电解质，离子的表观浓度要小于理论浓度），自然食盐水的蒸气压要比蔗糖溶液小得多，因而凝固温度更低，沸腾温度更高。

5 实验应用和建议

（1）因升温和降温时间较长，建议教师在教学中事先准备，用软件保留实验数据。如果是在未来教室或具备双屏的教室，课堂上一个屏播放实验视频，另一个屏就可以直接用软件的回放功能重现曲线生成，必要时还可以调出转折点的温度，强化学生的对比记忆。如果是条件相对薄弱（一般只有单个投影屏）的农村中学，笔者的经验是先展示实验装置图片或照片，配以必要的仪器介绍，然后展示温度变化曲线，配合启发式教学，同样能收到很好的教学效果。

（2）对于学生可能产生的“为什么相同质量分数的两种溶液凝固温度和沸腾温度相差较大”的疑问，建议教师结合溶质的微粒种类、数量进行定性解释（参考4.2实验讨论）。还可以设置相应的课外讨论题，引导某些学有余力的学生自学，促成“小实验，大延伸”的教学效果。