湖北省宜昌市夷陵中学(443000) 成昌华

数字化实验是将现代化信息技术手段与传统实验课程的融合创新。数字化实验一般由传感器、数据采集器和计算机及相关数据处理软件构成[1]。利用传感器对一些微小和连续变化的数据进行测定，将采集到的各种信号通过计算机软件分析处理，以图像、图表等直观的形式呈现出来，从而使得高中的一些定量实验可视化[2-3]，让学生对高中化学实验有更加深刻的理解。数字化实验相对于传统实验有明显的优点，如实验数据的采集和处置快速、连续，实验结果的精确度高，实验现象和数据可以实时展示。

中和反应的反应热测定实验是高中阶段化学典型的定量测定实验之一，它是人教版选择性化学必修1第1章第1节“反应热”内容。本文通过对“中和反应的反应热的测定”实验装置的改进，利用磁力搅拌器代替玻璃搅拌器，使得搅拌更充分且节省人力；再运用温度传感器代替温度计测量温度变化，利用计算机记录数据，绘制“温度—时间”图像，省去实验者一直注视温度计读取反应后温度的过程，直接获取最高实验温度，数据更精确更直观。

1 实验原理

中和反应是典型的放热反应之一。中和反应的反应热是指在稀溶液中，酸与碱完全发生中和反应生成1 mol H2O所释放的热量。对于强酸和强碱，它们在水溶液中完全电离，其实质是H+和OH-的反应，因此该类反应的中和热与酸的阴离子和碱的阳离子无关，任何强酸与强碱稀溶液中和反应的反应热都是相同的，即H+(aq) + OH-(aq)=H2O(l)，ΔH= -57.3 kJ/mol。

在绝热环境中，中和反应放出的热量会使得体系的温度升高，利用公式Q放=cmΔt进行计算中和反应放出的热量。实验室用50 mL 0.50 mol/L盐酸和50 mL 0.55 mol/L NaOH溶液反应，推导中和反应的反应热的计算式过程如下：

由于酸碱均为稀溶液，因此近似当作水溶液进行处理，即50 mL质量近似为50 g，溶液的比热容近似为水的比热容,即4.18 J/(g·℃)。由于NaOH溶液过量，以盐酸中HCl的物质的量计算n(H2O)=0.025 mol，反应热的单位为kJ/mol，将这些条件带入上面计算式整理得

ΔH= - 0.418(t2-t1)/0.025

此计算式中t2为酸碱反应后溶液达到的最高温度，t1为酸碱初始温度平均值，可以看出本实验的关键是准确测出反应前后的溶液温度。

2 实验过程

2.1 实验仪器及试剂

量热计、温度计、量筒(50 mL)2个、滤纸、烧杯、磁力搅拌器、温度传感器(LAB-PORT2型)、数据处理器、计算机(已安装Logger Pro软件)、0.50 mol/L盐酸、0.55 mol/L NaOH溶液。

2.2 实验装置

实验装置如图1所示。

图1 实验装置实物图

2.3 实验步骤

(1)连接温度传感器、处理器及电脑，点击电脑桌面的Logger Pro软件图标，启动程序，设置0.5 s读取一次数据，总时间设置为180 s。

(2)用量筒量取50 mL 0.55 mol/L NaOH溶液，用温度传感器测量并记录NaOH溶液的温度，用水把温度传感器上的碱冲洗干净，并用滤纸擦干。

(3)用另一个量筒量取50 mL 0.50 mol/L盐酸，打开杯盖，倒入量热计的内筒，盖上杯盖，开启磁力搅拌器，调节搅拌速率，插入温度传感器测量并记录盐酸的温度，将盐酸和氢氧化钠溶液的初始温度的平均值记为t1。

(4)将量筒中的NaOH溶液迅速倒入量热计的内筒，立即盖上杯盖，插入温度传感器，用玻璃搅拌器匀速搅拌，打开Logger Pro软件窗口，点击“采集”按钮，获取最高温度记为反应后体系的温度t2。

(5)洗净实验仪器，擦干温度传感器和磁力搅拌器磁子，重复(2)、(3)、(4)操作2～3次，将实验数据输入数据采集表格中计算实验结果。

3 实验结果

将3次平行实验结果记录在表1中，分别计算初始酸碱的平均温度及温度差，分别计算中和反应的反应热数值再取平均值，本实验测得中和反应的反应热数值的平均值为54.62 kJ/mol，将第2次实验时Logger Pro软件界面显示截图如图2所示。

表1 中和反应反应热的测定数据记录表

图2 Logger Pro软件界面显示截图

从图2可以看出加入氢氧化钠溶液后反应在3 s左右温度可以达到最大值，说明在本实验条件下中和反应速率快，3 s左右反应即可结束；同时最高温度在100 s内下降约0.1 ℃，说明量热计的绝热保温效果较好。

本实验测量值低于理论数值(57.3 kJ/mol)，主要原因可能有：①实验操作中会有热量损失，例如量热计盖子盖的不及时或不严；②温度传感器为不锈钢材质，会导出热量而损耗；③量取盐酸、氢氧化钠溶液体积时使用量筒本身误差较大，且盐酸、氢氧化钠溶液浓度未进行标定；④将盐酸、氢氧化钠溶液近似为水处理在质量上有误差，将水的比热容代替混合溶液的比热容也会造成一定误差。因此，要提高本实验精确度可以标定盐酸和氢氧化钠溶液的浓度，用移液管代替量筒准确确定添加溶液体积等。

4 结语

本实验采用温度传感器测定了强酸与强碱的稀溶液反应的中和热，测量值与理论值较为接近。采用温度传感器避免了实验者始终不停盯着温度计读数的困扰，将“温度—时间”以图像形式直接呈现在电脑上，实验现象更加直观、清晰，数据获取更精确；使用磁力搅拌器使搅拌更充分且节省劳动量，节约了实验时间，为重复实验提供了保证。各种传感器在化学定量实验中的使用必然会使化学实验更加快捷，实验结果更加直观、精确，同时也为化学实验研究拓展了新的领域。