摘要： 對(duì)于能量變化不明顯的實(shí)驗(yàn)，用傳統(tǒng)儀器難以準(zhǔn)確測量物質(zhì)變化時(shí)的熱效應(yīng)。借助溫度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以呈現(xiàn)物質(zhì)變化時(shí)的各種熱效應(yīng)，增強(qiáng)學(xué)生的定量實(shí)驗(yàn)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器;物質(zhì)變化;熱效應(yīng);化學(xué)數(shù)字化教學(xué)

熱效應(yīng)總是與物質(zhì)的變化有關(guān)，而物質(zhì)的變化是由化學(xué)鍵的斷裂和重新組合或粒子間作用力的變化引起的。當(dāng)這種能量變化很明顯時(shí)，人們可以通過感官感知或用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器——溫度計(jì)來測量，如金屬與酸反應(yīng)、濃HSO稀釋、NaOH固體溶于水。有些變化伴隨的能量變化很小，以至于人類的感官無法感知，用溫度計(jì)也無法準(zhǔn)確測量，如NaCl固體溶于水、將一些溶液稀釋等。此時(shí)，使用溫度傳感器儀器進(jìn)行測量，可以更準(zhǔn)確地測量和記錄物質(zhì)變化過程中的溫度變化，從而感知物質(zhì)變化過程中的能量變化。下面，結(jié)合案例介紹并解析如何使用溫度傳感器測量物質(zhì)變化時(shí)的熱效應(yīng)。

一、中和反應(yīng)的熱效應(yīng)

測定中和反應(yīng)的反應(yīng)熱是高中化學(xué)中較為重要的實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)中，酸和堿的強(qiáng)度、酸和堿的濃度及溶液的稀釋等條件對(duì)中和熱的測定均有一定的影響。用傳統(tǒng)方法測量存在精準(zhǔn)度不高的問題。利用溫度傳感器測量則很準(zhǔn)確，便于探究中和熱適宜的測定條件。

筆者開展如下兩組實(shí)驗(yàn)。一組使用溫度傳感器測量體積為20 mL時(shí)不同種類酸堿溶液反應(yīng)的溫度變化曲線（如圖1）。分析數(shù)據(jù)后，計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)的中和熱（見表1）。另一組使用溫度傳感器測量不同濃度酸堿（1：1）稀釋時(shí)的溫度變化曲線（如圖2和圖3）^[1]，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)見表2。

由表1數(shù)據(jù)可知，0.50 mol/L HCl溶液（強(qiáng)酸）與0.55 mol/L NaOH溶液（強(qiáng)堿）反應(yīng)測得的中和熱為56.8 kJ/mol，較接近理論值57.3 kJ/mol。醋酸（弱酸）與氨（弱堿）反應(yīng)測得的中和熱與理論值相差很大，這是因?yàn)槿跛峄蛉鯄A在水溶液中沒有完全電離，需要在中和反應(yīng)的同時(shí)發(fā)生電離，電離過程是吸熱的，導(dǎo)致實(shí)測值小于理論值。因此，在測定中和熱時(shí)，選擇強(qiáng)酸和強(qiáng)堿比較合適。

由表2的分析可以看出，不同濃度的HCl溶液和NaOH溶液在稀釋過程中產(chǎn)生不同程度的熱效應(yīng)。濃度越高，稀釋過程中釋放的熱量越多，對(duì)中和熱的影響越大。因此，在測量中和熱的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)選用稀溶液。利用溫度傳感器的靈敏性和準(zhǔn)確性，得出“中和熱應(yīng)通過強(qiáng)酸與強(qiáng)堿的稀溶液反應(yīng)來測量”這一結(jié)論更具信服力。

二、液態(tài)物質(zhì)汽化時(shí)的熱效應(yīng)

液態(tài)物質(zhì)的汽化需要破壞分子間力，表現(xiàn)為吸熱過程，體系溫度下降?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生了解分子間的相互作用力，知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力，了解氫鍵的性質(zhì)特征。通過溫度傳感器測量不同液體揮發(fā)過程中的溫度變化，可以比較分子間范德華力強(qiáng)度，證明氫鍵的存在。

筆者設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。一組使用4個(gè)溫度傳感器同時(shí)測量甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇揮發(fā)時(shí)的溫度變化曲線（如圖4）。另一組使用兩個(gè)溫度傳感器同時(shí)測量正丁醇和正己烷揮發(fā)時(shí)的溫度變化曲線（如圖5）。

從圖4的曲線可以看出，不同醇類在揮發(fā)過程中的降溫幅度是不同的。單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)溫度下降越快，醇越容易揮發(fā)，說明分子間作用力越小。通過比較甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇的分子結(jié)構(gòu)，得出組成和結(jié)構(gòu)相似的分子，其分子間作用力隨著相對(duì)分子量的增大而增大。

由圖5的曲線可以看出，正己烷和正丁醇的曲線溫差很大，正丁醇、正己烷的相對(duì)分子質(zhì)量分別是74和84，根據(jù)實(shí)驗(yàn)1的結(jié)論，正丁醇的相對(duì)分子質(zhì)量小，分子間作用力小，應(yīng)該蒸發(fā)更快，它應(yīng)該顯示溫度降低更多，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果恰恰相反。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生比較正己烷和正丁醇的分子結(jié)構(gòu)，并推斷正丁醇分子結(jié)構(gòu)中存在羥基，順勢提出氫鍵的概念^[2]。

三、固態(tài)物質(zhì)溶解過程中的熱效應(yīng)

固體物質(zhì)的溶解過程總是伴隨著熱效應(yīng)，熱效應(yīng)是溶質(zhì)微粒在水中的擴(kuò)散和水合過程中能量變化的總效應(yīng)^[3]。有些物質(zhì)具有明顯的溶解熱效應(yīng)，可以用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器溫度計(jì)來測量，如NaOH固體等;有些物質(zhì)的溶解熱效應(yīng)很弱，如NaCl、NaHCO等固體，可以借助溫度傳感器準(zhǔn)確測量。

操作如下：向4只燒杯中分別加入40 mL蒸餾水，插入溫度傳感器，再分別加入2 g NaCO、NaHCO、NaCl和NHCl，使其溶解，得到溫度變化曲線（如圖6），數(shù)據(jù)見表3。

從表3可以看出，相同質(zhì)量的NaCO、NaHCO、NHCl固體溶于水后溫度變化較大，NaCl固體溶于水后溫度變化較小。同時(shí)可以看出，NaCl固體在水中溶解是微弱的吸熱過程。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，用溫度計(jì)測量NaCl固體在水中的溶解熱效應(yīng)，可能得出NaCl在水中的溶解時(shí)溫度不變的錯(cuò)誤結(jié)論。

四、固體NaCO和NaHCO分別與鹽酸反應(yīng)的熱效應(yīng)

在高中化學(xué)課本中，NaCO、NaHCO與鹽酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)涉及反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度的變化，只通過感官來判斷。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)問題無法深入探究。教師可以利用溫度傳感器來探究實(shí)驗(yàn)過程中溫度變化的原因，培養(yǎng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)能力^[4]。

筆者設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。一組稱量3.36 g NaHCO固體和4.24 g NaCO粉末分別與40 mL 1.0 mol/L鹽酸反應(yīng)，用溫度傳感器測量溫度變化（如圖7）。另一組分別量取20 mL濃度均為1.0 mol/L NaHCO溶液和NaCO溶液分別與20mL 1.0 mol/L 鹽酸反應(yīng)，用溫度傳感器測量溫度變化（如圖8）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

分析表3和表4可知，NaHCO固體溶解時(shí)溫度降低，為吸熱過程，其溶液與鹽酸反應(yīng)溫度也降低，同樣為吸熱過程，則NaHCO固體與鹽酸的吸熱反應(yīng)是這兩個(gè)過程共同作用的結(jié)果。NaCO粉末溶解是一個(gè)放熱過程，其溶液與鹽酸反應(yīng)也是一個(gè)放熱過程，因此NaCO粉末與鹽酸的放熱反應(yīng)是上述兩個(gè)過程綜合作用的結(jié)果^[5]。

五、結(jié)晶過程的熱效應(yīng)

將固態(tài)溶質(zhì)的水溶液放在一個(gè)開放的容器里，讓水慢慢蒸發(fā)，或者改變?nèi)芤旱臏囟?，可以使晶態(tài)溶質(zhì)從溶液中沉淀出來，這個(gè)過程叫作結(jié)晶。結(jié)晶過程中伴隨著能量的變化，可以通過溫度傳感器探究結(jié)晶過程中的熱效應(yīng)。

具體操作如下：在一個(gè)大試管中加入約20 g NaSO·5HO固體;加熱，讓其全部溶解在自己所含的結(jié)晶水中，形成NaSO·5HO飽和溶液;停止加熱，插入溫度傳感器測量其溫度變化。當(dāng)溫度降到45℃左右時(shí)，向試管中投入1～3粒NaSO·5HO固體。采集并保存數(shù)據(jù)（如圖9）。

分析圖9中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)溶液溫度降到45℃左右時(shí)，將幾粒NaSO·5HO晶體加入試管中，溫度停止下降后，大量晶體析出，溶液溫度開始升高，這說明溶液中NaSO結(jié)晶過程是一個(gè)放熱過程^[6]。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確、直觀，使教學(xué)過程更加生動(dòng)易懂，有利于提高學(xué)生的探究創(chuàng)新能力，獲得更好的教學(xué)效果。然而，中學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)尚未普及，存在教學(xué)資源少、利用不充分等現(xiàn)象^[7]。同時(shí)，也不能為了數(shù)字化而推行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果很好。例如，對(duì)固體NaOH溶于水的熱效應(yīng)測定實(shí)驗(yàn)而言，如果只是了解固體NaOH溶于水的熱效應(yīng)，使用溫度計(jì)就很好，甚至用手去摸試管也可以，完全沒有必要使用溫度傳感器。只有在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中合理運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，才能取得較好的教學(xué)效果^[8][9]。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人教數(shù)字教育研究院重點(diǎn)課題（編號(hào)：RJA0521002）和馬鞍山市教育科學(xué)規(guī)劃教育科研課題（編號(hào)：MJG19121）的研究成果。

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[9] 馬善恒，姚如富，姚娟娟.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)下“多因素對(duì)化學(xué)平衡影響”的復(fù)習(xí)課[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2018（1）：29-32.

（作者裴傳友、楊芹系安徽馬鞍山含山縣第二中學(xué)教師;馬善恒系安徽省合肥市第六中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志