中和熱測定裝置的創(chuàng)新設計

張盤斌 常國旗 徐立娟

體系與環(huán)境只要存在溫度差就一定可以發(fā)生熱傳遞導致熱量散失，且溫度差越大，熱量散失就越快越多。《化學反應原理》一課的開設時間是每學年的第一學期(大約在每年的10月份)，此時，在北方的很多地區(qū)溫度已經(jīng)比較低了，酸堿中和反應放出的熱量會使反應體系的溫度升高，但環(huán)境的溫度較低，傳統(tǒng)裝置雖然采取了保溫措施，但是與環(huán)境溫度差較大，熱量散失仍然較快，給中和熱測定帶來不可避免的較大誤差。為此，筆者設計了一種新的測定裝置減小實驗誤差。

一、理論部分

在中和熱的測定實驗中產(chǎn)生的誤差主要是由熱量的傳遞所導致的，而熱量傳遞的主要因素是由反應體系與環(huán)境的溫度差所決定，如果設計一個裝置，能使中和反應發(fā)生的體系中溫度升高的同時，環(huán)境的溫度也對應升高，即可減小反應體系與環(huán)境的溫度差，達到一個動態(tài)的保溫效果從而減小誤差。如果控制不好環(huán)境溫度的變化也有可能產(chǎn)生正誤差。這樣如何控制環(huán)境的溫度變化就顯得尤為重要，即要讓環(huán)境的溫度隨著反應體系溫度的升高而升高且接近反應體系的溫度。為此筆者設計了一個新裝置，讓等量的酸和堿在內(nèi)外兩個容器中同時進行反應，外面的中和反應放出的熱量會對里面的反應體系起到保溫的效果，容器內(nèi)外的反應釋放出的熱量相同，溫度同時升高，減小了環(huán)境與反應體系間的溫度差即可減少熱傳遞從而減小誤差，由于是內(nèi)外溫度同時升高且外面的保溫反應的溫度始終不會超過反應體系的溫度，所以就不會產(chǎn)生正誤差，新裝置和傳統(tǒng)裝置分別如圖1、圖2所示。

圖1 新裝置

圖2 傳統(tǒng)裝置

新裝置的外層的反應放出的熱量使溫度升高，對內(nèi)層的反應起到動態(tài)保溫的效果，減小誤差。內(nèi)外兩層反應物的量相等放出的熱量一樣多，但外層溶液濃度小，反應速率慢，外層溫度接近且略低于內(nèi)層溫度，所以不會產(chǎn)生正誤差。

傳統(tǒng)裝置會隨著反應的進行，反應體系的溫度升高，但環(huán)境溫度較低。溫差增大，熱傳遞加快，反應產(chǎn)生的熱量會散失，測定出的溫度變化量偏小，造成較大的誤差。

二、實驗部分

1.實驗用品

0.25 mol/L的鹽酸溶液、0.30 mol/L的氫氧化鈉溶液、0.5 mol/L的鹽酸溶液、0.55 mol/L的氫氧化鈉溶液、大試管、廣口瓶、100 ℃溫度計、橡膠塞、打孔器、傳統(tǒng)中和熱測定裝置。

2.實驗裝置

具體的實驗裝置如圖3所示，設置了新裝置和傳統(tǒng)裝置做對比。

圖3 實驗裝置

3.實驗步驟

用兩套不同的裝置分別進行3次實驗，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表1、表2中。

表1 新裝置的實驗數(shù)據(jù)

表2 傳統(tǒng)裝置的實驗數(shù)據(jù)

表2 (續(xù))

4.實驗數(shù)據(jù)處理

(1)取3次測量所得數(shù)據(jù)的平均值作為計算依據(jù)(見表3、表4)。

表3 新裝置的實驗數(shù)據(jù)的平均值

表4 傳統(tǒng)裝置的實驗數(shù)據(jù)的平均值

(2)依據(jù)Q=mcΔt進行計算，近似地認為實驗所用酸、堿溶液(稀溶液)的密度和比熱容與水相同，并忽略實驗裝置的比熱容，則：

50 mL鹽酸的質(zhì)量m1=50 g，50 mL氫氧化鈉溶液的質(zhì)量m2=50 g，中和反應后所得溶液的比熱容為4.18 J/(g·℃)。50 mL0.5 mol/L的鹽酸與50 mL 0.55 mol/L的氫氧化鈉溶液發(fā)生中和反應放出的熱量為：(m1+m2)·c·(t2—t1)=0.418(t2-t1)

生成1 mol H2O時的反應熱為：

(3)通過以上公式可以計算兩種裝置下所測得的中和熱。

新裝置：ΔH=-56.51 kJ/mol

傳統(tǒng)裝置：ΔH=-53.50 kJ/mol

文獻值：ΔH=-57.3 kJ/mol

比較發(fā)現(xiàn)，新裝置測定出的中和熱更接近文獻值，誤差較小。若該裝置能批量生產(chǎn)并應用在教學中，會提高課堂演示效率，也能培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。