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        吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

        2018-02-18 00:54:08梁勝金
        化學(xué)教學(xué) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)改進(jìn)環(huán)境污染

        梁勝金

        摘要: 現(xiàn)行高中化學(xué)教材中的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的尾氣有污染,且實(shí)驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大。對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn),利用紅外測(cè)溫儀、具支試管、干燥管等器材設(shè)計(jì)新的吸熱反應(yīng)裝置,使反應(yīng)、攪拌、氨氣的檢驗(yàn)與吸收一體化完成;紅外測(cè)溫儀可隨時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程的溫度變化,且數(shù)字顯示,既直觀又迅速;實(shí)驗(yàn)方法體現(xiàn)綠色環(huán)保、現(xiàn)象明顯、創(chuàng)新性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞: 吸熱反應(yīng); 環(huán)境污染; 紅外測(cè)溫儀; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

        文章編號(hào): 1005-6629(2018)11-0080-03中圖分類(lèi)號(hào): G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

        1 問(wèn)題提出

        吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]中一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)(如圖1所示),教材旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)。但筆者通過(guò)多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),如果按照教材中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題: (1)反應(yīng)器大燒杯是敞口的,反應(yīng)生成的氨氣會(huì)污染教學(xué)環(huán)境,且耗化學(xué)試劑的量多,一次實(shí)驗(yàn)要耗30克固體試劑{20g氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]和10g氯化銨晶體},不符合環(huán)保要求;(2)在室溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),由于沒(méi)有隔熱材料的保護(hù),傳熱較快,在燒杯與玻璃片(或三合板)之間不易結(jié)冰,不能凍結(jié)在一起;(3)由于水具有流動(dòng)性,它能快速填充燒杯與玻璃片(或三合板)之間的空隙,在大氣壓力以及玻璃與水分子間作用力的共同作用下,燒杯與玻璃片(或三合板)很容易粘合到一起,雖與溶解吸熱導(dǎo)致“結(jié)冰”現(xiàn)象不同,但仍易造成實(shí)驗(yàn)假象。

        由于教材中的實(shí)驗(yàn)方法存在以上不足,我們利用紅外測(cè)溫儀、具支試管、干燥管等器材,設(shè)計(jì)了新的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,使反應(yīng)、攪拌、氨氣的檢驗(yàn)與吸收一體化完成。通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)溫手段可以監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程溫度的變化,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程綠色環(huán)保、反應(yīng)迅速、現(xiàn)象直觀、趣味性強(qiáng),使原吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題迎刃而解,收到了較好的教學(xué)效果。

        2 研究現(xiàn)狀及分析

        通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn),廣大化學(xué)同仁對(duì)“Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)時(shí)要吸收熱量”實(shí)驗(yàn)多有研究和改進(jìn),并在省級(jí)以上期刊發(fā)表了相關(guān)研究論文十余篇,這些文章除了研究氫氧化鋇晶體和氯化銨的代用品外,歸納起來(lái)還研究了以下兩個(gè)問(wèn)題: 一是解決氨氣對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染;二是改變測(cè)定溫度變化的方法。在已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的研究論文中,我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)方法雖有改進(jìn),但仍然不盡如人意: 有的實(shí)驗(yàn)方法[2~4]雖然進(jìn)行了一定的改進(jìn),但并沒(méi)有從根本上解決污染問(wèn)題;有的實(shí)驗(yàn)方法[5]即使利用熱敏溫度計(jì)代替常規(guī)溫度計(jì),增大了實(shí)驗(yàn)的可觀察性,但還是沒(méi)有消除氨氣對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染,況且熱敏溫度計(jì)的熱敏探頭容易被腐蝕。由此可見(jiàn),很有必要對(duì)現(xiàn)行化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)方法作進(jìn)一步研究,努力改革和創(chuàng)新,尋找一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)方法,讓其不僅解決氨氣的污染問(wèn)題、充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)物問(wèn)題,而且還能簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地測(cè)定反應(yīng)前后的溫度變化。

        3 設(shè)計(jì)理念

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念決定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性和實(shí)用性。根據(jù)環(huán)保理念和基本要求,對(duì)“Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)時(shí)要吸收熱量”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),必須遵循以下原則: (1)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的污染物——氨氣進(jìn)行相應(yīng)處理,并大幅減少反應(yīng)物的用量,從而消除對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染。(2)由于反應(yīng)物Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl均為固體物質(zhì),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),必須使用攪拌器使兩種固體物質(zhì)攪拌均勻,使反應(yīng)更充分、更迅速。(3)測(cè)定反應(yīng)前后溫度變化時(shí),要求測(cè)溫裝置簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、迅速,可觀察性強(qiáng)。(4)實(shí)驗(yàn)裝置還要具備取材容易、制作簡(jiǎn)單、便于操作、重復(fù)性好、安全可靠等特點(diǎn)。

        4 設(shè)計(jì)方法

        依據(jù)上述設(shè)計(jì)理念,在制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí),采用兩種物質(zhì)在具支試管內(nèi)進(jìn)行;生成的氨氣通過(guò)干燥管內(nèi)沾有稀鹽酸的脫脂棉進(jìn)行吸收,消除氨氣對(duì)教學(xué)環(huán)境的污染;利用干燥管內(nèi)潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙檢驗(yàn)氨氣的生成;兩種物質(zhì)的攪拌可通過(guò)粗銅絲制成的攪拌器來(lái)完成;利用紅外測(cè)溫儀通過(guò)測(cè)溫孔測(cè)定反應(yīng)前后反應(yīng)器壁的溫度變化。

        5 實(shí)驗(yàn)原理

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及到的化學(xué)反應(yīng):

        (1) Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng):

        Ba(OH)2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O-Q(熱量);

        (2) 潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙遇到氨氣變藍(lán);

        (3) 氨氣的吸收:

        NH3+HClNH4Cl。

        6 實(shí)驗(yàn)方案

        6.1 實(shí)驗(yàn)用品

        紅外測(cè)溫儀(歐米安儀器,GM550型,測(cè)溫范圍: -50~550℃,淘寶網(wǎng)有售35~65元1個(gè));具支試管(20mm×200mm)1支;球形干燥管1個(gè);2號(hào)單孔橡膠塞1個(gè);3號(hào)橡膠塞1個(gè);粗銅絲(直徑: 0.3cm,長(zhǎng): 35cm)、鐵架臺(tái)、鐵夾、十字夾各1個(gè);脫脂棉若干;錐子1把;鐵鉗1把;一次性注射器(20mL)1支

        Ba(OH)2·8H2O; NH4Cl; 10%稀鹽酸;蒸餾水;紅色石蕊試紙;凡士林

        6.2 儀器制作

        (1) 制作攪拌器。

        取一根粗銅絲(直徑: 0.3cm,長(zhǎng): 35cm),用鐵鉗將下端彎成鋸齒形。取一個(gè)3號(hào)橡膠塞,用錐子在其中央扎一個(gè)小孔,將粗銅絲的另一端從3號(hào)橡膠塞小頭的中央孔穿過(guò)后,用鐵鉗彎成直角搖把(如圖2所示)。

        (2) 儀器組裝。

        將拼裝好的攪拌器橡膠塞上下的粗銅絲表面涂上凡士林后,上下抽動(dòng)一下粗銅絲,使粗銅絲旋轉(zhuǎn)靈活,粗銅絲與橡膠塞之間被凡士林密封嚴(yán)實(shí)以防漏氣。將其放到具支試管里,使橡膠塞塞緊在具支試管口處。在具支試管的支管處安裝單球干燥管,干燥管內(nèi)盛放著用水潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙和用稀鹽酸潤(rùn)濕的脫脂棉團(tuán)(如圖3所示)。

        圖4 裝置

        6.3 實(shí)驗(yàn)裝置

        如圖4所示,鐵架臺(tái)、鐵夾、十字架已略去。

        A.直角搖把;B.用鹽酸(10%)潤(rùn)濕的脫脂棉團(tuán);C.用蒸餾水潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙;D.攪拌器;E.紅外測(cè)溫儀;F.氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體混合物;G.紅外光線

        6.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其現(xiàn)象

        (1) 在具支試管內(nèi)加入1mL蒸餾水。打開(kāi)紅外測(cè)溫儀的開(kāi)關(guān),并置紅外測(cè)溫儀于具支試管20cm處,使紅外光線直接照射具支試管底部,測(cè)出的初始溫度為8.8℃。

        (2) 在反應(yīng)器內(nèi)分別加入2g氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]和1g氯化銨晶體(NH4Cl)后,塞緊橡膠塞,順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)直角搖把,攪拌具支試管底部的反應(yīng)物。

        (3) 攪拌1min后可觀察到單球干燥管內(nèi)的紅色石蕊試紙變藍(lán),說(shuō)明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應(yīng)生成了氨氣,剩下的氨氣被脫脂棉團(tuán)內(nèi)的稀鹽酸吸收(NH3+HClNH4Cl)。

        (4) 攪拌3min后,打開(kāi)紅外測(cè)溫儀的開(kāi)關(guān),并將紅外測(cè)溫儀放置距具支試管底部20cm處,讓紅外光線直達(dá)具支試管外壁,此時(shí)測(cè)出具支試管底部外壁的溫度為-3.8℃,說(shuō)明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)。

        (5) 實(shí)驗(yàn)完畢后取下具支試管支管上的干燥管,通過(guò)支管將一次性注射器內(nèi)的3mL稀鹽酸注入到具支試管內(nèi),使反應(yīng)器內(nèi)的氨氣全部被吸收(NH3+HClNH4Cl)。

        6.5 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

        (1) 向具支試管中加入蒸餾水的目的是為了使氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]和氯化銨晶體(NH4Cl)的反應(yīng)更充分、更迅速,反應(yīng)體系溫度降低得更快。

        (2) 使用紅外測(cè)溫儀,讀數(shù)迅速、準(zhǔn)確,可以隨時(shí)測(cè)定體系的溫度變化,無(wú)需等到實(shí)驗(yàn)完畢進(jìn)行測(cè)定,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,提高了教學(xué)效率。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        利用紅外測(cè)溫儀、具支試管、攪拌器、干燥管等器材研制的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置,既簡(jiǎn)單又實(shí)用,不僅解決了生成物氨氣的污染問(wèn)題,而且還可以使反應(yīng)物充分?jǐn)嚢?、充分反?yīng)從而達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。此外,使用現(xiàn)代科技產(chǎn)品紅外測(cè)溫儀測(cè)定反應(yīng)的溫度變化,避免了利用常規(guī)溫度計(jì)、熱敏溫度計(jì)等測(cè)溫儀器測(cè)定溫度帶來(lái)的不便。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置的使用,可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新精神,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)一步提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

        參考文獻(xiàn):

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        [5]張春俠,趙研.吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的環(huán)保改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 2009,(3): 23.

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