白濤+冉甜+謝樂欣
摘要:設(shè)計(jì)兩個(gè)利用溫度傳感器測(cè)量過程溫差的實(shí)驗(yàn)。分別測(cè)量C1~C4醇類和C5~C6烷烴有機(jī)物蒸發(fā)過程的吸熱溫差數(shù)據(jù),說明不同有機(jī)物分子間作用力有差異;測(cè)量鹽酸與氫氧化鈉溶液(或金屬M(fèi)g及MgO與鹽酸溶液)放熱反應(yīng)過程的溫差數(shù)據(jù),計(jì)算得出中和反應(yīng)的反應(yīng)熱(或結(jié)合蓋斯定律推算金屬M(fèi)g的燃燒熱)。
關(guān)鍵詞:數(shù)字化實(shí)驗(yàn);溫差測(cè)定;分子間作用力;反應(yīng)熱;實(shí)驗(yàn)探究
文章編號(hào):1005–6629(2017)12–0054–04 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以傳感器為核心的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),溫度傳感器是操作簡便、使用廣泛的傳感器之一[1~3],相比溫度計(jì)能更準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄物質(zhì)變化過程中的溫度改變情況,進(jìn)而感知物質(zhì)變化時(shí)的能量變化。基于此,設(shè)計(jì)了兩則通過溫差測(cè)量數(shù)據(jù),說明分子間存在作用力,以及測(cè)定中和熱和鎂的燃燒熱的實(shí)驗(yàn)。
1 通過測(cè)量液體氣化溫差感知分子間作用力
1.1 實(shí)驗(yàn)原理
液態(tài)(凝聚態(tài))物質(zhì)蒸發(fā)(揮發(fā))過程中,動(dòng)能較大的分子會(huì)從體系中逸出,逸出的分子需克服表層分子對(duì)其的吸引作用而做功,若環(huán)境無法及時(shí)給體系補(bǔ)充能量,體系的溫度便會(huì)降低,溫度降低的大小和快慢與分子間作用力的強(qiáng)度有關(guān)。
分子間作用力包含范德華力和氫鍵,范德華力又包含取向力(永久偶極-永久偶極作用)、誘導(dǎo)力(永久偶極-誘導(dǎo)偶極作用)、色散力(瞬間偶極-瞬間偶極作用)。烷烴和醇兩個(gè)同系列有機(jī)物分子隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大,分子電子云變形性增大,使范德華力增大。正丁醇和乙醚互為同分異構(gòu)體,由于正丁醇中含有“羥基”結(jié)構(gòu),使正丁醇形成一種特殊的、較強(qiáng)的分子間作用力——?dú)滏I。
1.2 實(shí)驗(yàn)用品
儀器:計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、定性濾紙
試劑:甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、正戊烷、正己烷、乙醚
1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
(1)如圖1,將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器三者相連接,打開Logger Pro軟件。
(2)用橡膠圈固定濾紙(3cm×0.5cm)于溫度傳感器測(cè)量端,并插入待測(cè)液中使濾紙吸附待測(cè)液體,待溫度示數(shù)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù),約10s后,取出溫度傳感器置于空氣中(如圖1)放置。
(3)待溫度回升一段時(shí)間后,停止采集并保存數(shù)據(jù)。
1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.4.1 C1~C4醇類和C5~C6烷烴氣化過程的溫差
C1~C4醇類氣化過程溫度變化如圖2所示,測(cè)得氣化溫差(初始溫度和最低溫度之差)為:甲醇(13.9℃)>乙醇(9.2℃)>正丙醇(8.7℃)>正丁醇(4.6℃)。與其醇類沸點(diǎn)(如圖3)、相對(duì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)相反。
C5~C6烷烴氣化過程溫度變化如圖4所示,測(cè)得氣化溫差為:正戊烷(20.9℃)>正己烷(12.4℃)。也與其沸點(diǎn)、相對(duì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)相反。
C1~C4醇類、C5~C6烷烴的氣化溫差說明,氣化溫差和沸點(diǎn)與其相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān),分子氣化過程中需要克服分子間作用力,故氣化溫差和沸點(diǎn)的差異來源于物質(zhì)分子間作用力的差別,特別是范德華力中的色散力的差別,而分子越大、分子內(nèi)電子越多,分子剛性越差,分子里的電子云越松散,越容易變形,色散力就越大,所以同系物中相對(duì)分子質(zhì)量越大表明分子越大、分子內(nèi)電子也越多,分子間作用力(色散力)越強(qiáng)。
1.4.2 正丁醇和乙醚的氣化溫差
正丁醇和乙醚氣化過程溫度變化如圖5所示,測(cè)得氣化溫差為:正丁醇(4.6℃)<乙醚(9.8℃)。
正丁醇和乙醚互為同分異構(gòu)體,正丁醇?xì)饣瘻夭钶^小,而乙醚氣化溫差較大,這是由于在正丁醇分子間除范德華力外,還存在作用更強(qiáng)的氫鍵,而乙醚分子間卻只存在范德華力的緣故。
綜上所述,實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量液體氣化吸熱溫差可定性(半定量)地感知分子間作用力(包括氫鍵)的存在和強(qiáng)弱。
2 通過測(cè)量溶液反應(yīng)溫差測(cè)定中和熱、燃燒熱
2.1 實(shí)驗(yàn)原理
2.2 實(shí)驗(yàn)用品
儀器:計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、簡易量熱杯(或保溫杯)、磁力攪拌器(予華DJ型)、磁力攪拌子、移液管(50.00mL)、分析天平
試劑:中和熱和燃燒熱測(cè)量所需試劑見表1
2.3 實(shí)驗(yàn)步驟
(1)將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器三者相連接,打開Logger Pro軟件。
(2)用移液管量取試劑A注入簡易量熱杯中,打開磁力攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌,將溫度傳感器插入溶液中(避免觸碰磁力攪拌子)。
(3)待示數(shù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊軟件“采集”按鈕,開始采集數(shù)據(jù)。向量熱杯中迅速加入試劑B,蓋緊量熱杯;待溫度達(dá)到最高值且開始減少一段時(shí)間后,點(diǎn)擊軟件“停止”按鈕,停止采集并保存數(shù)據(jù);每組實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次。endprint
2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.4.1 中和熱測(cè)量結(jié)果
圖8為實(shí)驗(yàn)采集到的某次鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)時(shí)溫度變化曲線,為減小外界溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的誤差,對(duì)曲線進(jìn)行雷諾校準(zhǔn)。
進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)后,實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表3,計(jì)算時(shí),進(jìn)行如下近似處理:(1)計(jì)算溶液總質(zhì)量時(shí),鹽酸和氫氧化鈉溶液的密度都近似為ρ= 1g/mL;(2)忽略實(shí)驗(yàn)裝置的比熱容,溶液比熱容近似使用水的比熱容c=4.18 J/(g·℃)。計(jì)算得到鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的中和熱為-55.50kJ/mol,與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)-55.90kJ/mol接近。
2.4.2 燃燒熱測(cè)量結(jié)果
對(duì)鎂粉與鹽酸、氧化鎂(粉末)與鹽酸反應(yīng)的溫度變化曲線,分別進(jìn)行雷諾校準(zhǔn),如圖9和圖10所示。
各組實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次后,測(cè)得數(shù)據(jù)如表4,計(jì)算時(shí)同樣進(jìn)行近似處理,忽略實(shí)驗(yàn)裝置的比熱容,將溶液的密度和比熱容近似看成水的。經(jīng)計(jì)算:ΔH=ΔH1+ΔH3-ΔH2=-450.46kJ/mol-285.80kJ/mol-(-138.40kJ/mol)=-597.86kJ/mol,與理論值-601.6kJ/mol存在一定誤差。相比中和熱測(cè)量,本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫差較大,其中Mg與鹽酸反應(yīng)伴有氣體生成,容易向環(huán)境輻射熱量,且本實(shí)驗(yàn)溶液濃度較濃、質(zhì)量較大、比熱容和密度也與水有較大差別,近似處理造成的誤差增大。
3 小結(jié)
利用手持技術(shù)測(cè)量液體氣化溫差和溶液反應(yīng)溫差,感知分子間作用力的強(qiáng)弱、氫鍵的存在以及中和反應(yīng)、燃燒反應(yīng)的放熱情況,屬于定性認(rèn)識(shí)層面,而通過溶液反應(yīng)溫差的進(jìn)一步計(jì)算分析,特別是運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算,得出中和熱、Mg的燃燒熱等數(shù)值,屬于定量認(rèn)識(shí)層面。這幾組教學(xué)實(shí)驗(yàn)通過溫差測(cè)量可培養(yǎng)學(xué)生的定量意識(shí),也為從微觀層面解釋宏觀現(xiàn)象提供數(shù)字化實(shí)驗(yàn)佐證,特別是改變了“分子間作用力”教學(xué)缺乏實(shí)驗(yàn)操作的現(xiàn)狀,對(duì)發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)有重要影響。
參考文獻(xiàn):
[1] Evaporation and Intermolecular Attractions [M/OL]. https://www.vernier.com/.2017-07-31.
[2] Heat of Combustion: Magnesium [M/OL]. https:// www.vernier.com/.2017-07-31.
[3]白濤等.化學(xué):為什么是這樣?——基于手持技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探索[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.
[4][美] J. A.迪安主編.魏俊發(fā)等譯.蘭氏化學(xué)手冊(cè)(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:6,144,1026.endprint