嚴(yán)西平+錢蕙+孫馨+陳學(xué)東

摘要：初中教材中測定水溶液凝固溫度（凝固點(diǎn)）實(shí)驗(yàn)因觀察起始凝固溫度困難、數(shù)據(jù)波動性較大等弊端而備受爭議。運(yùn)用了溫度傳感技術(shù)對該實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)，進(jìn)一步開發(fā)了水溶液沸騰溫度（沸點(diǎn)）測定的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測溫準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性好，實(shí)驗(yàn)過程有利于學(xué)生觀察；結(jié)合特有的回放技術(shù)，可以提升探究教學(xué)的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：水溶液；凝固點(diǎn)及沸點(diǎn)測定；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2016）11–0078–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

舊版的滬教版初中教材[1]中水溶液凝固溫度的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以幫助初中生直觀地認(rèn)識溶液的性質(zhì)之一：“稀溶液的凝固溫度低于水的凝固溫度（0℃）”，實(shí)質(zhì)性地幫助理解“汽車水箱中加入防凍劑乙二醇和積雪路面撒鹽等應(yīng)用”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)曾存在多年，也是滬教版教材比較有特色的實(shí)驗(yàn)之一。但是因?yàn)楸}混合物的低溫會使燒杯和試管外壁凝聚冰霜從而影響到察覺試管中溶液何時(shí)結(jié)冰，而且因條件不易控制往往造成分組實(shí)驗(yàn)組間記錄差距較大，有些時(shí)候還會出現(xiàn)“水、蔗糖水、食鹽水”三種液體凝固溫度相同或顛倒的情況；如果改為演示，僅少數(shù)學(xué)生能近距離觀察到現(xiàn)象和示數(shù)，不利于惠及全體學(xué)生?？赡苁沁@些爭議導(dǎo)致新版教材取消了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，只剩下上述結(jié)論[2]，造成教學(xué)機(jī)械化甚為可惜。

為了彌補(bǔ)這個(gè)缺憾，我們基于溫度傳感技術(shù)，開發(fā)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅能夠?qū)⑻綔y的溫度實(shí)時(shí)反映到投影屏幕上，使全體學(xué)生都能切實(shí)感受到溶液的溫度變化，而且測溫過程不受冰霜凝結(jié)和人為因素的干擾，測量精密度高、溫度曲線測定變化穩(wěn)定性好。運(yùn)用同樣的技術(shù)我們還開發(fā)了測量水溶液沸騰溫度的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也能讓學(xué)生印證“稀溶液的沸騰溫度高于水的沸騰溫度（100℃）”[2]，容易理解“煮沸的湯比沸水的溫度高，更容易燙傷口唇”等事實(shí)，從而全面地認(rèn)識和把握溶液這一重要性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)原理和認(rèn)知

隨著外界溫度降低，水溶液的溫度也會隨之同步降低，但因溶液蒸氣壓比純水低的原因，當(dāng)溶液溫度降至0℃時(shí)，水并不會結(jié)冰，只有溫度降到某一數(shù)值（低于0℃）時(shí)，水才開始結(jié)冰，這個(gè)過程會釋放出凝固熱，大大減緩了溶液溫度的持續(xù)下降，溫度曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，變?yōu)榫徛陆档内厔荩敲催@個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是溶液凝固溫度（參見圖2，圖中t1時(shí)刻對應(yīng)的溫度tf就是凝固溫度）；反之，當(dāng)水溶液溫度隨外界溫度上升到100℃時(shí)，同樣因?yàn)槿芤旱恼魵鈮盒∮谒恼魵鈮翰粫序v，只有溫度升至某一數(shù)值（高于100℃）時(shí)，水才開始沸騰，此時(shí)水變成水蒸氣吸收體系的熱量，大大減緩了溫度的持續(xù)上升，溫度曲線也發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，變?yōu)榛旧掀骄徻厔?，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的溫度就是溶液的沸騰溫度（參見圖3，圖中t2時(shí)刻對應(yīng)的溫度tb就是沸騰溫度）。對于初中生而言，物理課中鋪墊的“下雪不冷化雪冷”體感和“純水沸騰溫度保持在100℃”體驗(yàn)可以讓他們?nèi)菀桌斫馑娜龖B(tài)變化時(shí)溫度的變化趨勢，換言之，用溫度曲線表征不會妨礙認(rèn)知和內(nèi)化。

2 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品

氯化鈉（分析純）、蔗糖（分析純）、蒸餾水、粗鹽、冰塊

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

燒杯、試管、玻璃棒、量筒、膠頭滴管、藥匙、電子天平、電磁爐、溫度傳感器（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）、數(shù)據(jù)采集器（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）

3 實(shí)驗(yàn)裝置和步驟

燒杯中冰鹽混合物起冷卻劑作用（通?？梢越抵?20℃），小試管中盛放的是實(shí)驗(yàn)溶液，溫度傳感器將實(shí)時(shí)溫度變?yōu)檫m當(dāng)?shù)奈锢砹?，通過數(shù)據(jù)線傳至數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器的分析和處理后，變?yōu)榭梢暬臏囟惹€呈現(xiàn)出來。

3.1 溶液的凝固點(diǎn)下降

（1）配制溶液：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實(shí)驗(yàn)儀器：連接溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和艾迪生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。

（3）制備冷凍混合物：準(zhǔn)備一個(gè)大燒杯，燒杯中放入大半杯冰塊，并向其中加入1/4量的粗鹽，充分混合后，獲得冷凍混合物。

（4）連接實(shí)驗(yàn)儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉(zhuǎn)移到試管中，將試管放置在步驟（3）準(zhǔn)備好的冷凍混合物環(huán)境中，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖4所示）。

（5）設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)：設(shè)置采集速率為0.5點(diǎn)每秒，即2秒1點(diǎn)。

（6）開始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集：將采集的數(shù)據(jù)輸出到艾迪生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中，并繪制溫度隨時(shí)間變化曲線圖（見圖6、圖7）。

3.2 溶液的沸點(diǎn)上升

電磁爐可以提供較高且受熱均勻的溫度（通?？梢赃_(dá)到200℃），燒杯中盛放的是實(shí)驗(yàn)溶液，溫度傳感器將實(shí)時(shí)溫度變?yōu)檫m當(dāng)?shù)奈锢砹浚ㄟ^數(shù)據(jù)線傳至數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器的分析和處理后，變?yōu)榭梢暬臏囟惹€呈現(xiàn)出來。

（1）配制溶液：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實(shí)驗(yàn)儀器：連接溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和艾迪生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。

（3）電磁爐預(yù)熱：開啟電磁爐，預(yù)熱。

（4）連接實(shí)驗(yàn)儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中，將燒杯放置在步驟（3）準(zhǔn)備好的電磁爐上，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖5所示）。

（5）設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)：設(shè)置采集速率為1點(diǎn)每秒，即每秒1點(diǎn)。

（6）開始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集：將采集的數(shù)據(jù)輸出到艾迪生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中，并繪制溫度隨時(shí)間變化曲線圖（見圖8、圖9）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線

（1）對1%、5%、10%、15%、20%五種不同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的食鹽水和蔗糖溶液進(jìn)行測量，結(jié)果呈現(xiàn)一致性，即凝固溫度：食鹽水<蔗糖溶液；沸騰溫度：食鹽水>蔗糖溶液。以10%食鹽水和蔗糖溶液為例（參見圖6～圖9），-8.5℃（食鹽水的凝固溫度）<-1.7℃（蔗糖溶液的凝固溫度）；109.6℃（食鹽水的沸騰溫度）>106.3℃（蔗糖溶液的沸騰溫度）。

（2）每種濃度的溶液都進(jìn)行了三次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)偏差?。ɑ驹?%以內(nèi)），實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好。

4.2 實(shí)驗(yàn)討論

（1）因1%、5%蔗糖溶液凝固溫度下降不顯著，為避免因?qū)嶒?yàn)的偶然誤差造成誤解，有利于初中生心理認(rèn)同，我們選擇10%蔗糖溶液和食鹽水結(jié)果作為參照，對比效果顯著。

（2）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合“溶液的沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降取決于一定量的溶劑中加入溶質(zhì)的物質(zhì)的量”[3]的定性解釋。因?yàn)镸r（C12H22O11）=342，Mr（NaCl）=58.5，所以c（C12H22O11）≈0.34mol/L，c（Na+）=c（Cl-）≈1.90 mol/L，也就是說，兩種相同體積溶液中溶質(zhì)的微粒數(shù)大約相差近11倍（因氯化鈉是電解質(zhì)，離子的表觀濃度要小于理論濃度），自然食鹽水的蒸氣壓要比蔗糖溶液小得多，因而凝固溫度更低，沸騰溫度更高。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和建議

（1）因升溫和降溫時(shí)間較長，建議教師在教學(xué)中事先準(zhǔn)備，用軟件保留實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果是在未來教室或具備雙屏的教室，課堂上一個(gè)屏播放實(shí)驗(yàn)視頻，另一個(gè)屏就可以直接用軟件的回放功能重現(xiàn)曲線生成，必要時(shí)還可以調(diào)出轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度，強(qiáng)化學(xué)生的對比記憶。如果是條件相對薄弱（一般只有單個(gè)投影屏）的農(nóng)村中學(xué)，筆者的經(jīng)驗(yàn)是先展示實(shí)驗(yàn)裝置圖片或照片，配以必要的儀器介紹，然后展示溫度變化曲線，配合啟發(fā)式教學(xué)，同樣能收到很好的教學(xué)效果。

（2）對于學(xué)生可能產(chǎn)生的“為什么相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩種溶液凝固溫度和沸騰溫度相差較大”的疑問，建議教師結(jié)合溶質(zhì)的微粒種類、數(shù)量進(jìn)行定性解釋（參考4.2實(shí)驗(yàn)討論）。還可以設(shè)置相應(yīng)的課外討論題，引導(dǎo)某些學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)，促成“小實(shí)驗(yàn)，大延伸”的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（下冊修訂版）[M].上海：上海教育出版社，2004：157.

[2]課標(biāo)研制組.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（下冊）[M].上海：上海教育出版社，2013：8.

[3]北京師范大學(xué)等.無機(jī)化學(xué)（上冊·第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：299.