吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再研究

張麗敏 劉金輝 李興

摘要：針對(duì)高中化學(xué)教材中吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問題做了研究和改進(jìn)。利用玻璃水槽、微型熱敏溫度計(jì)、備課儀和觸控一體機(jī)等器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)新裝置，集攪拌、反應(yīng)、檢驗(yàn)、吸收及溫度變化顯示為一體，既能隨時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程的溫度變化，又可使溫度變化的數(shù)字得以放大，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可觀察性。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有全封閉、試劑用量少、見效快、易觀察等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：吸熱反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 一體化設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2020）09-0066-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1?問題提出

吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教材[1]中的一個(gè)經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）。盡管教材的實(shí)驗(yàn)方案具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、器材易得、操作方便等特點(diǎn)，但因教材受到當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)材料和社會(huì)條件的影響，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今化學(xué)課堂教學(xué)的要求。筆者在課堂上如果按照教材的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行演示時(shí)，善于思考的學(xué)生會(huì)經(jīng)常提出問題，歸納起來(lái)不外乎有以下幾個(gè)方面：一是“八水合氫氧化鋇跟氯化銨反應(yīng)時(shí)生成的刺激性氣味的氣體是什么？能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)？用什么方法可將其消除還師生一個(gè)潔凈的教學(xué)空間”;二是“燒杯與玻璃片（或三合板）粘接到一起不一定是由于反應(yīng)降溫結(jié)冰造成的，是不是燒杯底部與玻璃片（或三合板）之間的水分子表面張力在起作用”;三是“這個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)結(jié)冰的方法判斷是否吸熱反應(yīng)過(guò)程較慢，有時(shí)受室內(nèi)溫度影響較大，難以實(shí)現(xiàn)，能否找到一個(gè)通過(guò)數(shù)字變化推知是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)”;四是“能否通過(guò)減少藥品用量降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和減少實(shí)驗(yàn)污染”。根據(jù)學(xué)生提出的這些問題，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真的研究和改進(jìn)，利用玻璃水槽、平底試管、玻璃管、單孔橡膠塞、微型熱敏溫度計(jì)和備課儀等，成功設(shè)計(jì)了一套新的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示裝置。通過(guò)學(xué)生觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使學(xué)生提出的問題迎刃而解，深受學(xué)生的歡迎，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2?研究現(xiàn)狀概述

為了全面了解“Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)時(shí)要吸收熱量”實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展情況，以便借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步更新實(shí)驗(yàn)研究理念，完善實(shí)驗(yàn)方案，利用業(yè)余時(shí)間查閱大量資料，得知廣大化學(xué)教育工作者對(duì)該實(shí)驗(yàn)多有研究和改進(jìn)，并相繼在省級(jí)以上期刊發(fā)表相關(guān)研究論文十余篇。這些改進(jìn)方案，盡管見解不一、效果有別、特點(diǎn)各異，但初心都是試圖解決吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的實(shí)際問題。通過(guò)研究、歸納和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)表的實(shí)驗(yàn)研究論文，除了研究Ba（OH）2·8H2O

代用品外，主要是研究解決反應(yīng)生成氨氣的污染問題和測(cè)量反應(yīng)溫度變化的方法問題。這些研究論文對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)方案雖有改進(jìn)，但仍然存在不足：有的實(shí)驗(yàn)方法[2， 3]沒有從根本上解決污染問題;有的實(shí)驗(yàn)方法[4]雖然利用熱敏溫度計(jì)測(cè)量溫度，改進(jìn)測(cè)溫方法，但仍然沒有解決氨氣的污染問題;還有的實(shí)驗(yàn)方法[5， 6]雖然解決了氨氣對(duì)環(huán)境的污染，并使用先進(jìn)的紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度變化，但其測(cè)溫儀器造價(jià)較高，影響該實(shí)驗(yàn)方案在教學(xué)中推廣;還有，測(cè)量反應(yīng)溫度變化時(shí)，無(wú)論是使用水銀溫度計(jì)、熱敏溫度計(jì)還是紅外測(cè)溫儀，數(shù)字變化的可觀察性較差，學(xué)生意見較大，這一點(diǎn)也是上述實(shí)驗(yàn)方案中的共同弊端。綜上所述，我們有必要對(duì)該吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)再作研究，進(jìn)一步深化、完善設(shè)計(jì)方案，努力挖掘發(fā)現(xiàn)新材料、新器材，最終尋求一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)方案，使其既能解決氨氣的污染、充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)物問題，又能簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地測(cè)出反應(yīng)前后的溫度變化，使全體學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字變化情況能一目了然，努力增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

3?設(shè)計(jì)思想及方案

在改革與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想決定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在注重實(shí)驗(yàn)的綠色環(huán)保的同時(shí)，還要注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性，努力從教學(xué)實(shí)際需要和實(shí)驗(yàn)的基本要求出發(fā)，構(gòu)建一種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念。因此，設(shè)計(jì)吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，必須綜合考慮以下幾點(diǎn)：（1）檢驗(yàn)氨氣的方法。（2）通過(guò)減小反應(yīng)物的用量、吸收氨氣，達(dá)到減少氨氣排放及其污染之目的。（3）由于反應(yīng)物為固體物質(zhì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，須通過(guò)攪拌使兩種固體物質(zhì)充分混合。（4）為了放大反應(yīng)前后溫度變化，要求測(cè)溫裝置簡(jiǎn)單并能準(zhǔn)確、迅速測(cè)得溫度，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可觀察性。（5）實(shí)驗(yàn)須具備取材容易，制作簡(jiǎn)單，便于操作，重復(fù)性好，安全可靠、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

依據(jù)該設(shè)計(jì)思想，利用玻璃水槽、平底試管、微型熱敏溫度計(jì)、備課儀等設(shè)計(jì)了一個(gè)較為合理的實(shí)驗(yàn)方案。具體方法如下：（1）Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl兩種物質(zhì)的反應(yīng)在水槽中間的平底試管內(nèi)進(jìn)行;（2）生成的氨氣通過(guò)捆綁在玻璃管上的潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙來(lái)檢驗(yàn);（3）多余的氨氣利用玻璃水槽內(nèi)滴有酚酞試液的冷水進(jìn)行吸收;（4）Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl兩種物質(zhì)的攪拌可通過(guò)玻璃管攪拌完成;（5）利用裝在玻璃管內(nèi)的微型熱敏溫度計(jì)探頭測(cè)定反應(yīng)前后反應(yīng)器內(nèi)的溫度變化;（6）微型熱敏溫度計(jì)的數(shù)字變化，通過(guò)備課儀、觸控一體機(jī)進(jìn)行放大。

4?實(shí)驗(yàn)用品

微型熱敏溫度計(jì)（網(wǎng)售，9.9元/個(gè)，如圖2所示）1個(gè)、鴻合備課儀（如圖3所示，400元/臺(tái)，型號(hào)：HZ-3700，深圳鴻合創(chuàng)新信息技術(shù)有限責(zé)任公司）1個(gè)、觸控一體機(jī)、平底試管（3cm×10cm）1支、玻璃水槽1個(gè)、3號(hào)單孔橡膠塞1個(gè)、玻璃管1根、橡膠堵1個(gè)、無(wú)底透明可樂瓶1個(gè)Ba（OH）2·8H2O、 NH4Cl、冷水、蒸餾水、紅色石蕊試紙、酚酞試液、玻璃膠

5?儀器加工

（1） 取1只廢棄的可口可樂透明塑料瓶（或硬質(zhì)礦泉水瓶），用剪刀將瓶底剪掉（如圖4所示），做成鐘罩。

（2） 取1根20cm長(zhǎng)的玻璃管，從3號(hào)單孔橡膠塞插入后，將微型熱敏溫度計(jì)的探頭穿入到玻璃管內(nèi)，玻璃管的下端用橡膠堵塞住（如圖5所示）。

（3） 取1只平底試管，用玻璃膠將其粘接到玻璃水槽的中央（如圖6所示）。

6?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，其中：

7?操作過(guò)程及其現(xiàn)象

（1） 按照?qǐng)D7連接裝置，裝好藥品。

（2） 將備課儀與觸控一體機(jī)USB插口用數(shù)據(jù)線連接好，并在觸控一體機(jī)內(nèi)安裝備課儀軟件。

（3） 打開備課儀的開關(guān)。

（4） 打開觸控一體機(jī)內(nèi)備課儀軟件，學(xué)生可以立刻看到在觸控一體機(jī)屏幕上顯示的溫度數(shù)字為15.2℃。

（5） 用右手按住鐘罩的上部，順時(shí)針或逆時(shí)針輕輕搖動(dòng)鐘罩，使安裝橡膠堵的玻璃管下端慢慢攪拌藥品的混合物，反應(yīng)立即進(jìn)行[Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O]。學(xué)生可觀察到觸控一體機(jī)上的溫度數(shù)字逐漸減小。2min后溫度數(shù)字變成了10.5℃（說(shuō)明此反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)）。隨之潤(rùn)濕的紅色石蕊試紙變藍(lán)（說(shuō)明產(chǎn)生的氣體是氨氣），玻璃水槽內(nèi)的冷水逐漸變紅（說(shuō)明剩余的氨氣被水吸收：NH3+H2ONH3·H2O）。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，待塑料鐘罩內(nèi)的氨氣全部被玻璃水槽內(nèi)的冷水吸收后，將廢物倒在指定的廢液桶內(nèi)。

需要特別說(shuō)明的是：

（1） 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鐘罩的底部不要離開槽內(nèi)水的液面，防止氨氣逸出污染室內(nèi)空氣。

（2） 玻璃管既起到攪拌藥品的作用，又可以起到保護(hù)微型熱敏溫度計(jì)探頭的作用。

（3） 反應(yīng)結(jié)束后，讓玻璃水槽內(nèi)的冷水將反應(yīng)生成的氨氣全部吸收（利用氨氣在冷水中溶解度較大的原理）再進(jìn)行反應(yīng)裝置拆卸，以防氨氣逸出造成空氣污染。

（4） 玻璃管下端塞上橡膠堵的目的，一是防止藥品進(jìn)入玻璃管腐蝕微型熱敏溫度計(jì)探頭，二是防止生成的氨氣通過(guò)玻璃管外逸污染教室環(huán)境。

（5） 有目的地減少藥品用量，節(jié)約了有毒且昂貴的氫氧化鋇晶體。

8?結(jié)語(yǔ)

利用微型熱敏溫度計(jì)、平底試管、透明塑料鐘罩、備課儀等器材設(shè)計(jì)的吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)單、實(shí)用、價(jià)廉，不僅解決了生成物氨氣的污染問題，而且還可以使反應(yīng)物充分?jǐn)嚢琛⒊浞址磻?yīng)從而達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。此外，現(xiàn)代科技產(chǎn)品微型熱敏溫度計(jì)、備課儀、觸控一體機(jī)的使用以及它們之間的巧妙結(jié)合，既可以測(cè)定反應(yīng)的溫度變化，又可有效放大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)字體，避免單獨(dú)使用水銀溫度計(jì)、熱敏溫度計(jì)或紅外測(cè)溫儀等測(cè)溫儀器可觀察性差的不足，使學(xué)生可隨時(shí)觀察溫度變化情況，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)可觀察性。通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)、完善和應(yīng)用，不僅解決了演示吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生提出的各種問題，而且還可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新精神，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高了化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

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