戈益超 魏魏

一、問題提出

常規(guī)教學(xué)中認識影響物質(zhì)的熔沸點的因素，主要是從分子間作用力和氫鍵兩方面入手，但是由于高中階段學(xué)生還未接觸分子間作用力相關(guān)的概念，如分子極性、極化率等，無法從微觀層面科學(xué)地理解和比較不同分子的分子間作用力大小，因此大多數(shù)學(xué)生只能將該規(guī)律死記硬背，教師在這方面教學(xué)也是一帶而過。那么如何讓學(xué)生能夠直觀地感受分子間作用力和氫鍵對物質(zhì)熔沸點的影響呢？

二、實驗原理

基于有機物的熔沸點主要是由物質(zhì)的分子間作用力決定，而分子間作用力是分子與原子之間的靜電作用。而在其他條件相同的情況下，液體分子間的作用力越小，該液體越易揮發(fā)，蒸發(fā)時溫度下降更多更快。故采用溫度傳感器測定有機物揮發(fā)造成溫度下降快慢的方式來感受分子間作用力對有機物沸點的影響。實驗直觀、耗時短且可重復(fù)性強。

三、實驗用品

儀器：電腦、威尼爾牌溫度傳感器、高溫溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、燒杯、熔點管、紗布。

藥品：乙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇、叔丁醇、鄰羥基苯甲酸、對羥基苯甲酸。

四、實驗過程

實驗1：探究相對分子質(zhì)量對分子間作用力的影響

實驗方案：本實驗采用同系物醇（乙醇、正丙醇、正丁醇）類作為實驗載體，通過測定揮發(fā)過程中溫度下降快慢來判斷分子質(zhì)量對分子間作用力的影響。用量筒量取等量（約20mL）的乙醇、正丙醇、正丁醇，分別倒入3個相同的小燒杯中，將卷著白紗布（增加蒸發(fā)面積）的溫度探頭分別同時浸入三個燒杯中，經(jīng)過5s，同時將溫度計探頭提起，平行放在實驗架上，觀察溫度讀數(shù)變化（此時將燒杯移開，避免影響檢測）。在相同條件下，進行多次檢測，完成實驗，并比較和分析實驗結(jié)果。

實驗現(xiàn)象及結(jié)論：蘸有三種物質(zhì)的傳感器溫度變化如圖所示，其中乙醇降低最快，正丁醇降低最慢。從而得出結(jié)論，一般來說，對于組成和結(jié)構(gòu)相似的有機物，相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的熔點、沸點越高。

實驗2：探究支鏈對分子間作用力的影響

實驗方案：綜合考慮實驗穩(wěn)定性，通過大量實驗后我們選擇了分子質(zhì)量相同的且含有羥基的三種醇，即正丁醇、異丁醇、叔丁醇作為測定對象，重復(fù)上面實驗，通過傳感器測定三種醇蒸發(fā)時溫度變化規(guī)律，從而可以得出分子間作用力影響因素。

從上圖可以看出叔丁醇的溫度降得最快，即叔丁醇內(nèi)克服分子間作用力最小，反之正丁醇分子間作用力最大。因此，對于相對分子質(zhì)量相同且結(jié)構(gòu)相似的有機物，支鏈越多，熔沸點越低。

實驗3：基于同分異構(gòu)體探究氫鍵的存在

實驗方案：我們選擇了分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵的物質(zhì)進行對比實驗，考慮到物質(zhì)的常見性和實驗的可行性，我們選擇了鄰、對羥基苯甲酸作為實驗對象，設(shè)計出利用高溫傳感器，來觀測兩種物質(zhì)在熔化時溫度的變化。但是如果直接放置空氣中加熱測量熔點，很快就會發(fā)生氧化反應(yīng)，從而無法測定熔點。后來想到采用封閉試管中加熱，但是效果也不明顯。最后改進為熔點管測定法，采用硅油作熱介質(zhì)，既增強了實驗的安全性，也增加了實驗的可比性。

結(jié)論：在影響物質(zhì)熔沸點等其他外界條件相同的情況下，不同類型的氫鍵對物質(zhì)的熔沸點影響不同，其中存在分子內(nèi)氫鍵的物質(zhì)熔沸點低于存在分子間氫鍵的物質(zhì)。

五、創(chuàng)新和收獲

首先，本實驗在相同條件下利用手持技術(shù)測量不同液體蒸發(fā)時溫度的變化曲線，促進學(xué)生在微觀層面科學(xué)地理解和比較不同分子的分子間作用力，進而能夠得出分子間作用力影響規(guī)律。

其次，本實驗得出的結(jié)果與理論相符，而且數(shù)據(jù)重現(xiàn)性高，操作簡單，耗時短，適合學(xué)生課外活動。為“分子間作用力影響物質(zhì)熔沸點”提供有效且易實現(xiàn)的實驗手段。

最后，本實驗采用室溫下易蒸發(fā)的且毒性很小的物質(zhì)來完成實驗有利于減小毒害性，采用熔點管測定氫鍵影響實驗體現(xiàn)了安全性和對比性。

注：本文為安徽省教育規(guī)劃辦省級課題《基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的數(shù)字實驗創(chuàng)新研究》研究成果，課題編號：JK17047。

編輯 李博寧