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        初中化學(xué)溶解熱及中和熱實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

        2023-11-29 06:45:00游文強(qiáng)
        云南化工 2023年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)學(xué)生

        游文強(qiáng)

        (福建省福清市福清三山中學(xué),福建 福清 350318)

        2022年4月,教育部頒布《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》[1](以下簡稱“新課標(biāo)”)。作為建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的化學(xué)學(xué)科,實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要載體,是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的主要途徑,新課標(biāo)首次提出“認(rèn)識實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要形式和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑”這一目標(biāo)要求[2],要求教師重視實(shí)驗(yàn)教學(xué),充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要作用。教師不僅要積極開展課本實(shí)驗(yàn),還要嘗試改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn),以期獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。這樣不僅有利于促進(jìn)教師的專業(yè)化發(fā)展,更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

        學(xué)生首次接觸物質(zhì)的溶解與酸堿中和反應(yīng)是在九年級下學(xué)期。通過先前的學(xué)習(xí),學(xué)生們已經(jīng)認(rèn)識了化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器,初步掌握了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)操作,并具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)探索興趣。查閱各地市所用教材中有關(guān)“物質(zhì)溶解”知識的內(nèi)容,大部分都設(shè)置了物質(zhì)溶解過程中溫度的改變這一內(nèi)容,其中有給出具體實(shí)驗(yàn)裝置圖的教材見表1。

        教材及實(shí)際教學(xué)過程中,教師展示物質(zhì)溶解時(shí)溫度變化的裝置多是由一組燒杯和溫度計(jì)組成。由于溫度計(jì)的刻度細(xì)小,造成學(xué)生不易讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),學(xué)生參與性較低,還容易發(fā)生打破溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)事故。同時(shí)物質(zhì)溶解過程中吸收或者放出的熱量是很難用眼睛觀測到的,實(shí)際教學(xué)中部分教師通過讓學(xué)生用手觸碰燒杯來感受溫度的變化,這樣的演示實(shí)驗(yàn)受眾面小,教育效果不佳。同時(shí)僅憑感性無法判斷溫度變化的程度,更無法聚焦化學(xué)的定量思維培養(yǎng),如某些物質(zhì)溶解過程中溫度變化比較輕微,容易讓學(xué)生產(chǎn)生物質(zhì)溶解時(shí)溫度不變的錯(cuò)誤概念[5]。實(shí)驗(yàn)過程中還需要用到玻璃棒攪拌,玻璃棒攪拌容易碰到杯壁或者杯底,造成實(shí)驗(yàn)誤差。而科粵版教材所展示的數(shù)字傳感器則為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了一種新思路,手持技術(shù)操作簡便,溫度變化可視化,但若要展示多種物質(zhì)溶解時(shí)的熱量變化,無法同時(shí)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),并且需要不斷更換實(shí)驗(yàn)裝置,使得操作繁瑣,同時(shí)造成資源浪費(fèi)。

        各地市常用的教材中展示中和反應(yīng)放熱的裝置(圖1)多由燒杯和玻璃棒組成。教師在展示過程中先將氫氧化鈉溶液加入到燒杯中,再加入酸堿指示劑,然后再加入稀鹽酸溶液,同時(shí)不斷用玻璃棒攪拌,加快混合速度,也使得反應(yīng)更加充分。由于要向?qū)W生說明中和反應(yīng)是放熱反應(yīng),因此在滴加完稀鹽酸溶液后還需要用溫度計(jì)測量,由于溫度計(jì)的顯示需要一定時(shí)間,造成實(shí)驗(yàn)步驟太多。容易混亂、不易操作和實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長等問題,使得實(shí)驗(yàn)效果不好。

        圖1 教材中展示中和反應(yīng)放熱的裝置

        通過查閱文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)有些中學(xué)教師針對溶解熱和中和熱實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。馬逸群[6]將裝置中的溫度計(jì)改成帶有紅色水柱的細(xì)玻璃管(圖2),使得反應(yīng)現(xiàn)象更加明顯,但仍處于定性分析的階段;饒紅梅[7]使用數(shù)顯溫度計(jì)增加了數(shù)據(jù)可見度,反映了兩種物質(zhì)溶解前后溶液溫度的數(shù)值,增加了對比度,但無法直觀展示物質(zhì)溶解過程或中和反應(yīng)中溫度的變化。近年來,以手持技術(shù)為核心的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也越來越多,任動[8]等人利用智能手機(jī)外接溫度傳感器測定中和反應(yīng)的熱效應(yīng)(圖3),通過直觀實(shí)時(shí)的測量手段,展示了化學(xué)反應(yīng)中溫度的變化,但無法同時(shí)展示多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)時(shí)的溫度變化。

        圖2 文獻(xiàn)中改進(jìn)裝置一

        圖3 文獻(xiàn)中改進(jìn)裝置二

        基于對教材及文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)裝置的梳理,筆者對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn),融入數(shù)字化手持技術(shù),實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)中溫度變化的橫向?qū)Ρ取T搶?shí)驗(yàn)裝置既適合課堂演示也可設(shè)置為學(xué)生小組實(shí)驗(yàn),能有效提高教學(xué)效果。

        1 實(shí)驗(yàn)用品

        儀器:聯(lián)排磁力攪拌器、磁子、溫度傳感器、“L”形玻璃管、100 mL 燒杯、三孔橡膠塞、玻璃漏斗、50 mL 量筒、100 mL 量筒、電子天平、稱量紙。

        藥品:0.55 mol/L 鹽酸溶液、0.55 mol/L 硫酸溶液、0.55 mol/L NaOH溶液、NaOH固體、CaO固體、NH4NO3固體、NH4Cl固體。

        2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

        實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖4所示,將3個(gè) 100 mL 燒杯置于聯(lián)排磁力攪拌器表面,攪拌磁子置于燒杯底部,杯口部裝有橡膠塞,橡膠塞共有三個(gè)小孔:1、2、3。溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處,并將感應(yīng)端浸入燒杯;玻璃漏斗用于加入反應(yīng)物質(zhì),通過孔2浸入燒杯;孔3處倒“L”形的玻璃管用于排出燒杯中物質(zhì)反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氣體。所述的磁力攪拌器,可以是1至6多頭。

        1.溫度傳感器;2.漏斗;3.排氣管;4.橡膠塞;5.液面;6.磁力轉(zhuǎn)子;7.聯(lián)排磁力攪拌器圖4 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

        3 實(shí)驗(yàn)步驟

        3.1 溶解熱實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)時(shí)先將 100 mL 的蒸餾水分別添加到四個(gè)燒杯中,溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處,并將感應(yīng)端浸入蒸餾水中,啟動磁力攪拌器,連續(xù)攪拌 10 s,待溫度值平穩(wěn)后,將1克 NaOH,CaO,NH4NO3,NH4Cl經(jīng)玻璃漏斗分別添加到四個(gè)燒杯中,觀察并記錄溫度變化。通過以上的實(shí)驗(yàn),借助溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)可以清楚地看到溶解時(shí)溶液的溫度的改變,以及不同物質(zhì)溶解時(shí)溫度的變化差異。

        3.2 中和熱實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)時(shí)先將 50 mL 0.55 mol/L 的鹽酸和 50 mL 0.55 mol/L 的硫酸溶液分別加入到燒杯中,溫度傳感器設(shè)在燒杯杯口膠塞的孔1處,并將感應(yīng)端浸入酸溶液中,啟動磁力攪拌器,連續(xù)攪拌 10 s,待溫度值平穩(wěn)后,將 50 mL 0.55mol/L 氫氧化鈉溶液通過玻璃漏斗緩慢地加入到兩個(gè)燒杯中,觀察并記錄溫度變化。通過以上的實(shí)驗(yàn),借助溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)可以清楚地觀察到酸堿中和反應(yīng)的溫度變化,以及不同酸和堿發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)溫度的變化差異。

        4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案的評價(jià)

        4.1 裝置簡易,操作簡便

        該裝置同時(shí)適用于探究溶解過程及中和反應(yīng)的溫度變化,也適用于其它液液體系反應(yīng)熱的探究,具有一定的普適性與可遷移性。且該裝置是在常用儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加,對于學(xué)生來說容易接受,實(shí)驗(yàn)裝置搭建難度小,對實(shí)驗(yàn)操作者的實(shí)驗(yàn)操作水平要求不高,可設(shè)置為學(xué)生小組實(shí)驗(yàn),培育學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。其中,實(shí)驗(yàn)裝置中的三孔橡膠塞增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體系的保溫功能,減小實(shí)驗(yàn)誤差;實(shí)驗(yàn)裝置中的漏斗組可以同時(shí)且均勻地加入反應(yīng)物;磁力攪拌器使溶解過程或酸堿中和反應(yīng)進(jìn)行地更加充分,防止手工攪拌力度不同而使結(jié)果有偏差,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確[9]。

        4.2 數(shù)據(jù)直觀,便于對照

        實(shí)驗(yàn)裝置中引入的數(shù)字化手持技術(shù)攜帶方便,操作簡便,測量準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)顯示直觀,可以實(shí)時(shí)記錄和顯示溫度變化,并能有效地減少實(shí)驗(yàn)誤差,縮短實(shí)驗(yàn)周期,初步發(fā)展學(xué)生對于溶解熱與中和熱的定量認(rèn)識,以便更好地理解溶解熱與中和熱的相關(guān)概念和規(guī)律,同時(shí)也能使同學(xué)們體驗(yàn)到現(xiàn)代科技在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用,開闊眼界,提高創(chuàng)新能力。另外,聯(lián)排磁力攪拌器的使用能夠比較一組不同的反應(yīng)或不同溶液中的溫度的改變,課堂上學(xué)生可通過小組合作完成實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)其獲取、分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的技能,為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、證據(jù)推理等核心素養(yǎng)提供了良好的環(huán)境。

        5 結(jié)語

        此次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)響應(yīng)新課標(biāo)中重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,在教學(xué)中引入數(shù)字化手持技術(shù),實(shí)驗(yàn)裝置簡易,實(shí)驗(yàn)操作難度低,溫度變化可視,實(shí)驗(yàn)周期縮短,實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)溶解或不同酸堿中和反應(yīng)中熱量變化的橫向?qū)Ρ?,兼具?shí)用性與教育性。

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