常見物質溶解過程溫度變化的實驗探究

孫影 信欣 許敏

摘要： 以物質溶解過程中能量變化為依據，利用溫度傳感器探究多種常見物質在水溶液中溶解過程的溫度變化。通過量熱實驗，結合水合離子的生成焓的理論數據，揭示物質溶解過程中吸熱和放熱現象的本質來自水合過程的差異。量熱實驗得到的溶解熱的實驗值與根據水合離子的生成焓計算得到溶解熱的理論值基本符合。溶解熱絕對值的實驗值要比理論值偏低（10±2）%。旨在幫助學生建立科學的物質變化觀和能量觀，逐步形成化學學科核心素養。

關鍵詞： 數字化實驗； 溶解過程； 溫度變化； 溶解熱

文章編號： 10056629（2018）2007504中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1問題的提出

物質溶解過程中的吸熱和放熱現象見諸于人教版九年級2012年版《化學》教材下冊第九單元課題一，其中“物質的溶解過程”是許多學者關注的內容，如田長明（2016）從初中化學教材“溶解過程”示意圖入手，對鈉離子、氯離子結合水分子數及鈉離子和氯離子與水分子的作用進行了研究[1]；嚴宣申教授（2007）就溶解過程的熱效應從理論上進行過詳細講解[2]；還有其他大量文獻詳細研究了物質的沉淀溶解平衡、溶解度等有關概念，但其中結合課本探究實驗對溶解過程中溫度變化的研究較少。由于實際教學中該實驗使用的是傳統酒精溫度計，分度值較大會造成較大實驗誤差。部分教師在課上會總結得出NaCl溶于水溫度不變的結論，這就容易給學生造成錯誤認識，不利于后續知識的學習。

本研究采用不銹鋼溫度傳感器，以提高實驗精確度，增加物質種類可以積累更多感性認識素材，有利于學生從實驗事實中總結歸納，得出一般結論。本文在實驗的基礎上從宏觀、微觀、符號、曲線四重表征視角詳細分析溶解過程，結合熱力學相關知識計算物質溶解熱的文獻參考值和實驗值，從定量角度幫助師生全面理解物質溶解過程，建立科學認識。

2實驗研究

2.1實驗設計

溶解過程的能量變化通過熱量表現出來，溫度計能夠直觀反映體系熱量變化的情況。本次實驗使用不銹鋼溫度傳感器，通過曲線變化，直觀感受物質溶解時的吸、放熱行為。

2.2實驗用品

實驗試劑： 去離子水、氫氧化鈉（AR）、氯化鈉（AR）、氯化鉀（AR）、氯化銨（AR）

實驗儀器： 電腦、數據采集器、提存能手軟件（Logger Pro）、不銹鋼溫度傳感器（型號TMBBTA，量程-25～150℃）、磁力攪拌器、磁子、聚四氟乙烯反應釜（100mL，帶蓋）、50mL移液管、電子天平

2.3試劑用量

溶解熱是以1mol溶質溶于大量溶劑（通常是水）的焓變為準，對于A+B-型化合物，溶質和溶劑的物質的量之比為1∶500時溶劑即為大量溶劑，可忽略溶劑量對焓變的影響[3]，故本實驗中稱取水5mol（90.00mL），溶質0.0100mol（見表1）。

2.4實驗過程

（1） 實驗處于室溫環境，當時室內溫度在20.20℃。

（2） 按照所提供的實驗藥品，計算0.0100mol物質所對應的質量，然后用電子天平依次稱量。

（3） 由于本實驗對反應容器的絕熱性能有較高的要求，故本次實驗采用帶蓋聚四氟乙烯反應釜進行實驗。將100mL反應釜置于磁力攪拌器上。

（4） 提前準備好蒸餾水保存在大容器內，放置1天達到室溫，備用。

（5） 連接實驗裝置（見圖1）。用移液管量取90.00mL室溫下的蒸餾水注入聚四氟乙烯反應釜中，放入磁子，打開磁力攪拌器。

（6） 開始采集數據，數據采集持續100秒，第一組實驗作為空白對照。

（7） 數據采集結束后，重新加入90.00mL蒸餾水，并把0.400g（即0.0100mol）的NaOH緩慢加入聚四氟乙烯反應釜中，蓋上蓋子，數據采集持續100秒。

（8） 數據采集結束后清洗反應釜，重新加入90.00mL蒸餾水，按照表1試劑質量和順序更換下一種藥品，重復步驟（7），直到所有藥品采集結束。

（9） 保存數據。

（10） 清理儀器，回收藥品。

3結果與分析

3.1實驗結果記錄

實驗過程溫度變化曲線如圖2所示。

實驗數據記錄見表2，表內記錄了每組實驗開始T1（0s）和實驗結束T2（100s）時的溫度，其中ΔT0=T2-T1為實際溫差，由于攪拌會對體系做功，導致體系溫度略有上升，空白實驗中蒸餾水經過攪拌溫度升高了0.03℃。為矯正實驗結果，這里的ΔT1是扣除攪拌影響后的實際溫差，ΔT1=T2-T1-0.03。

從實驗結果看，物質在溶解時幾乎都伴隨溫度的變化，溫差的正負和大小能夠反映物質溶解過程的能量變化。NaCl溶解后溫度降低0.09℃，溶解過程吸收少量熱；NH4Cl、 KCl溶解過程降低0.35℃和0.42℃，溶解過程吸收較多的熱；而NaOH溶解后溫度升高了1.08℃，溶解過程釋放了大量的熱。

3.2理論分析

3.2.1溶解過程的四重表征分析

從宏微結合的角度看，人教版教材上對溶解過程如是描述：“蔗糖放進水中后，很快就‘消失了，這是因為這蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水里擴散，最終蔗糖分子均一地分散在水分子中間，形成一種混合物——蔗糖溶液。像這樣一種或幾種物質分散到另一種物質里，形成均一、穩定的混合物的過程，叫做溶解。[4]”這是對溶解過程的宏觀描述和微觀解析，也是學生能夠基于生活經驗對溶解過程作出的最初理解。

從實驗曲線看，因為本次實驗只是探究了溶解過程的溫度變化，所以能夠從曲線的上升和下降體會到溶解過程的吸熱和放熱行為。結合多組實驗和教師講解，學生會明白物質溶解時常常都會伴隨溫度的改變也就是能量的變化，這樣對溶解過程又有了進一步的認識。隨著認識的深入，學生自然會產生認知沖突： 溶解過程為什么會有溫度變化，這就需要我們一起探尋溶解過程的微觀本質。

從溶解過程的本質看，溶解是一種物質（溶質）分散在另一種物質（溶劑）中形成溶液的過程，是復雜的“物理化學過程”。整個溶解過程通常包括多方面作用，一方面是溶質與溶劑間的作用（釋熱），另一方面是拆開原先溶質微粒間作用（吸熱）或溶劑微粒間作用（吸熱）。發生溶解時，這些過程同時存在，溶解熱就是這些過程能量方面的代數和[5]。因此在溶解過程中往往伴有熱量、體積和顏色的改變。

以學生熟悉的氯化鈉在水中溶解為例，當氯化鈉晶體溶于水時，在水分子的作用下，外層鈉離子和氯離子會被水分子包圍發生水合過程，此過程釋放能量，然后水合鈉離子和水合氯離子會脫離氯化鈉晶體，此過程吸收能量，最后水合離子會擴散到水中。由于整個過程吸收的熱量大于放出的熱量，所以氯化鈉溶于水溫度降低。其微觀示意圖如圖3所示。通過查閱資料，我們發現由于分子力學和分子動力學的原因，不同分子或離子其周圍包裹的水分子數是有規律的，如配位數是偶數時水合陽離子的結構較為合理。以鈉離子和氯離子來說，Na+·4H2O或Na+·6H2O和[Cl（H2O）6]-較為穩定[6]。

用化學符號來表示溶解過程，以氯化鈉的電離為例： NaClNa++Cl-，這是高中階段需要掌握的電離方程式的書寫，在初中階段可以幫助學生理解溶解過程。

3.2.2溶解熱和稀釋熱

將溶質B溶于溶劑A中或將溶劑A加入溶液中都會產生熱效應，此種熱效應除了與溶劑及溶質的性質和數量有關外，還與系統所處的溫度及壓力有關，這兩種熱效應通常又分為積分熱效應和微分熱效應。積分熱效應是指將一定量的溶質溶于一定量的溶劑中所產生的熱效應的總和，若是等壓過程，這一熱效應就等于該過程的焓變。微分溶解熱是一個偏微分量，是指在溶液中加入dnA溶質時所產生的微量熱效應[7]。

本研究主要討論等壓過程的積分熱效應即焓變。首先利用熱力學相關知識計算物質溶解時能量變化的文獻參考值即標準摩爾溶解熱，然后再通過實驗中測得的溫度變化量，計算實驗值，進而得出本次實驗的效率。

（1） 文獻參考值

標準摩爾溶解熱ΔsolHθm是在標準狀態下，單位物質的量的物質（即1mol溶質）溶于大量水中時的熱效應，通過查閱資料得到如表3[8]所示的數據。

本次實驗過程保持一個大氣壓，常溫狀態，可以近似看成標準狀態。以NaCl為例，NaCl（s）Na+（∞aq）+Cl-（∞aq）

由于： ΔsolHθm=ΣνiHθm（生成物）-ΣνiHθm（反應物）

故： ΔsolHθm[NaCl]=ΔfHθm[Na+（∞aq）]+ΔfHθm[Cl-（∞aq）]-ΔfHθm[NaCl（s）][9]

代入數據求得ΔsolHθm[NaCl]=3.874kJ·mol-1，以上計算可以得到1mol NaCl溶于大量水，理論上吸熱3.874kJ。同理，可求得其他物質的標準摩爾生成焓，具體結果見表4。

（2） 實驗值

根據公式ΔQ=cmΔt，可以利用物質溶解前后溶液的溫度變化量來計算溶解熱，如NaCl，實驗中將0.0100mol即0.585g NaCl溶于90.00mL水中，在溶解時，Δt=-0.09℃表示溶解吸熱，水的比熱容c=4.2×103J·kg-1·℃-1，在以下的計算中溶液的比熱用純水的比熱值來代替，因為相比絕熱因素的影響來估計，其影響很小。代入公式計算得出ΔQ=0.034kJ。由此可以計算得0.0100mol NaCl溶于水將吸收熱量ΔQs=（1.00mol/0.0100mol）×ΔQ=3.4kJ，這里定義ΔQs為物質溶于水之后體系吸收的熱量（kJ/mol），后續數據中吸熱ΔQs為正值，放熱ΔQs為負值。對比標準摩爾溶解熱3.874kJ，可得實驗系統偏差約為12%。同理，可求得其他物質溶解熱的實驗值和系統偏差，具體結果見表4。這里的ΔsolHθm（kJ·mol-1）是根據表3數據計算得到的文獻參考值。

由表4數據可得在溶解過程放熱的場合（即NaOH），實驗測得放出熱量（-41kJ/mol）沒有達到放出的全部熱量（-44.505kJ/mol），另外約有3kJ/mol的熱量散發到環境中。在溶解過程吸熱的場合（即其他3個化合物），此時溶液溫度低于環境，顯然是因為從環境吸收了一部分熱量，使得實驗測得溶液的溫度沒有降低到應該達到的那么低，也就是ΔQs正值不夠大。

以上對升溫、降溫的分析可知，本次實驗儀器的絕熱性能較差，使得溫度升、降的絕對值達不到那么大，即溫度該升高時升不高，該降低時降不低。實驗出現系統偏差，即升溫時溶液散發到環境的熱量（或降溫時從環境傳遞到溶液的熱量）大約是過程放熱（或吸熱）總量的7%～12%。這提醒教師在對本節內容的授課過程中，對于測得溫度變化不明顯的物質應給予關注。

4總結

本研究更改傳統實驗中的酒精溫度計和燒杯，采用聚四氟乙烯反應釜和精確度更高的溫度傳感器，目的是讓學生通過溫度曲線“看到”物質溶于水的溫度變化，有助于日后建立正確的能量觀。理論分析部分通過對原理的解釋和計算得知，在中學實驗的條件下，即使我們用精確度更高、絕熱性能更好的儀器，實驗的系統偏差都在總能量變化的7%～12%。由于實驗條件的限制，從溫度變化探究物質溶解過程的吸熱、放熱現象，難免有一定的誤差，對于溶解過程本身能量改變較小的物質，很有可能造成溶解過程溫度不變的誤解，從而導致一些錯誤觀念，廣大教師在教學過程中特別要提醒學生注意。

物質變化觀是中學生應該具備的化學基本觀念之一，而化學變化的過程往往伴隨能量的變化，能量觀在物質變化中占有舉足輕重的地位。本研究從學生常見的溶解現象入手，通過溶解過程的能量變化可以很好地啟蒙學生建立正確的能量觀，幫助學生從能量的視角觀察、認識事物，感受實驗過程，有利于逐步建立學科核心素養[10]。

參考文獻：

[1][6]田長明.對初中化學教材一幅“溶解過程”示意圖的研究與思考[J].化學教學， 2016，（8）： 23～26.

[2][3][5]嚴宣申.溶解過程的熱效應[J].化學教育， 2007， 28（5）： 59.

[4]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 26～27.

[7][8][9]南京大學化學化工學院等.物理化學（第五版）（下冊）[M].北京： 高等教育出版社， 2014.

[10]畢華林，萬延嵐.化學基本觀念： 內涵分析與教學建構[J].課程·教材·教法， 2014， 34（4）： 76～83.