水溶液凝固點及沸點測定實驗的數字化改進

嚴西平+錢蕙+孫馨+陳學東

摘要：初中教材中測定水溶液凝固溫度（凝固點）實驗因觀察起始凝固溫度困難、數據波動性較大等弊端而備受爭議。運用了溫度傳感技術對該實驗作了改進，進一步開發了水溶液沸騰溫度（沸點）測定的數字化實驗。結果表明：數字化實驗的優點是測溫準確、數據精度高、穩定性好，實驗過程有利于學生觀察；結合特有的回放技術，可以提升探究教學的品質。

關鍵詞：水溶液；凝固點及沸點測定；數字化實驗；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）11–0078–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

舊版的滬教版初中教材[1]中水溶液凝固溫度的實驗裝置如圖1所示，這個實驗可以幫助初中生直觀地認識溶液的性質之一：“稀溶液的凝固溫度低于水的凝固溫度（0℃）”，實質性地幫助理解“汽車水箱中加入防凍劑乙二醇和積雪路面撒鹽等應用”。這個實驗曾存在多年，也是滬教版教材比較有特色的實驗之一。但是因為冰鹽混合物的低溫會使燒杯和試管外壁凝聚冰霜從而影響到察覺試管中溶液何時結冰，而且因條件不易控制往往造成分組實驗組間記錄差距較大，有些時候還會出現“水、蔗糖水、食鹽水”三種液體凝固溫度相同或顛倒的情況；如果改為演示，僅少數學生能近距離觀察到現象和示數，不利于惠及全體學生。可能是這些爭議導致新版教材取消了這個實驗，只剩下上述結論[2]，造成教學機械化甚為可惜。

為了彌補這個缺憾，我們基于溫度傳感技術，開發了數字化實驗，不僅能夠將探測的溫度實時反映到投影屏幕上，使全體學生都能切實感受到溶液的溫度變化，而且測溫過程不受冰霜凝結和人為因素的干擾，測量精密度高、溫度曲線測定變化穩定性好。運用同樣的技術我們還開發了測量水溶液沸騰溫度的數字化實驗，結果也能讓學生印證“稀溶液的沸騰溫度高于水的沸騰溫度（100℃）”[2]，容易理解“煮沸的湯比沸水的溫度高，更容易燙傷口唇”等事實，從而全面地認識和把握溶液這一重要性質。

1 實驗原理和認知

隨著外界溫度降低，水溶液的溫度也會隨之同步降低，但因溶液蒸氣壓比純水低的原因，當溶液溫度降至0℃時，水并不會結冰，只有溫度降到某一數值（低于0℃）時，水才開始結冰，這個過程會釋放出凝固熱，大大減緩了溶液溫度的持續下降，溫度曲線發生明顯轉折，變為緩慢下降的趨勢，那么這個轉折點對應的溫度就是溶液凝固溫度（參見圖2，圖中t1時刻對應的溫度tf就是凝固溫度）；反之，當水溶液溫度隨外界溫度上升到100℃時，同樣因為溶液的蒸氣壓小于水的蒸氣壓不會沸騰，只有溫度升至某一數值（高于100℃）時，水才開始沸騰，此時水變成水蒸氣吸收體系的熱量，大大減緩了溫度的持續上升，溫度曲線也發生明顯轉折，變為基本上平緩趨勢，這個轉折點對應的溫度就是溶液的沸騰溫度（參見圖3，圖中t2時刻對應的溫度tb就是沸騰溫度）。對于初中生而言，物理課中鋪墊的“下雪不冷化雪冷”體感和“純水沸騰溫度保持在100℃”體驗可以讓他們容易理解水的三態變化時溫度的變化趨勢，換言之，用溫度曲線表征不會妨礙認知和內化。

2 實驗藥品和儀器

2.1 實驗藥品

氯化鈉（分析純）、蔗糖（分析純）、蒸餾水、粗鹽、冰塊

2.2 實驗儀器

燒杯、試管、玻璃棒、量筒、膠頭滴管、藥匙、電子天平、電磁爐、溫度傳感器（江蘇艾迪生數字發展有限公司）、數據采集器（江蘇艾迪生數字發展有限公司）、數字化探究實驗室系統軟件（江蘇艾迪生數字發展有限公司）

3 實驗裝置和步驟

燒杯中冰鹽混合物起冷卻劑作用（通常可以降至-20℃），小試管中盛放的是實驗溶液，溫度傳感器將實時溫度變為適當的物理量，通過數據線傳至數據采集器，經數據采集器的分析和處理后，變為可視化的溫度曲線呈現出來。

3.1 溶液的凝固點下降

（1）配制溶液：配制質量分數相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實驗儀器：連接溫度傳感器、數據采集器和艾迪生數字化探究實驗系統軟件。

（3）制備冷凍混合物：準備一個大燒杯，燒杯中放入大半杯冰塊，并向其中加入1/4量的粗鹽，充分混合后，獲得冷凍混合物。

（4）連接實驗儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉移到試管中，將試管放置在步驟（3）準備好的冷凍混合物環境中，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖4所示）。

（5）設置數據采集參數：設置采集速率為0.5點每秒，即2秒1點。

（6）開始實驗數據采集：將采集的數據輸出到艾迪生數字化實驗探究實驗系統軟件中，并繪制溫度隨時間變化曲線圖（見圖6、圖7）。

3.2 溶液的沸點上升

電磁爐可以提供較高且受熱均勻的溫度（通常可以達到200℃），燒杯中盛放的是實驗溶液，溫度傳感器將實時溫度變為適當的物理量，通過數據線傳至數據采集器，經數據采集器的分析和處理后，變為可視化的溫度曲線呈現出來。

（1）配制溶液：配制質量分數相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實驗儀器：連接溫度傳感器、數據采集器和艾迪生數字化探究實驗系統軟件。

（3）電磁爐預熱：開啟電磁爐，預熱。

（4）連接實驗儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉移到燒杯中，將燒杯放置在步驟（3）準備好的電磁爐上，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖5所示）。

（5）設置數據采集參數：設置采集速率為1點每秒，即每秒1點。

（6）開始實驗數據采集：將采集的數據輸出到艾迪生數字化實驗探究實驗系統軟件中，并繪制溫度隨時間變化曲線圖（見圖8、圖9）。

4 實驗結果和討論

4.1 實驗數據和曲線

（1）對1%、5%、10%、15%、20%五種不同溶質質量分數的食鹽水和蔗糖溶液進行測量，結果呈現一致性，即凝固溫度：食鹽水<蔗糖溶液；沸騰溫度：食鹽水>蔗糖溶液。以10%食鹽水和蔗糖溶液為例（參見圖6～圖9），-8.5℃（食鹽水的凝固溫度）<-1.7℃（蔗糖溶液的凝固溫度）；109.6℃（食鹽水的沸騰溫度）>106.3℃（蔗糖溶液的沸騰溫度）。

（2）每種濃度的溶液都進行了三次平行實驗，結果基本吻合，數據偏差小（基本在5%以內），實驗的穩定性和重現性好。

4.2 實驗討論

（1）因1%、5%蔗糖溶液凝固溫度下降不顯著，為避免因實驗的偶然誤差造成誤解，有利于初中生心理認同，我們選擇10%蔗糖溶液和食鹽水結果作為參照，對比效果顯著。

（2）上述實驗結果符合“溶液的沸點上升、凝固點下降取決于一定量的溶劑中加入溶質的物質的量”[3]的定性解釋。因為Mr（C12H22O11）=342，Mr（NaCl）=58.5，所以c（C12H22O11）≈0.34mol/L，c（Na+）=c（Cl-）≈1.90 mol/L，也就是說，兩種相同體積溶液中溶質的微粒數大約相差近11倍（因氯化鈉是電解質，離子的表觀濃度要小于理論濃度），自然食鹽水的蒸氣壓要比蔗糖溶液小得多，因而凝固溫度更低，沸騰溫度更高。

5 實驗應用和建議

（1）因升溫和降溫時間較長，建議教師在教學中事先準備，用軟件保留實驗數據。如果是在未來教室或具備雙屏的教室，課堂上一個屏播放實驗視頻，另一個屏就可以直接用軟件的回放功能重現曲線生成，必要時還可以調出轉折點的溫度，強化學生的對比記憶。如果是條件相對薄弱（一般只有單個投影屏）的農村中學，筆者的經驗是先展示實驗裝置圖片或照片，配以必要的儀器介紹，然后展示溫度變化曲線，配合啟發式教學，同樣能收到很好的教學效果。

（2）對于學生可能產生的“為什么相同質量分數的兩種溶液凝固溫度和沸騰溫度相差較大”的疑問，建議教師結合溶質的微粒種類、數量進行定性解釋（參考4.2實驗討論）。還可以設置相應的課外討論題，引導某些學有余力的學生自學，促成“小實驗，大延伸”的教學效果。

參考文獻：

[1]王祖浩.義務教育課程標準實驗教科書·化學（下冊修訂版）[M].上海：上海教育出版社，2004：157.

[2]課標研制組.義務教育教科書·化學（下冊）[M].上海：上海教育出版社，2013：8.

[3]北京師范大學等.無機化學（上冊·第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：299.