吸熱反應實驗的新設計

梁勝金

摘要： 現行高中化學教材中的吸熱反應實驗產生的尾氣有污染，且實驗結果受環境溫度影響較大。對此實驗做了改進，利用紅外測溫儀、具支試管、干燥管等器材設計新的吸熱反應裝置，使反應、攪拌、氨氣的檢驗與吸收一體化完成;紅外測溫儀可隨時監測反應過程的溫度變化，且數字顯示，既直觀又迅速;實驗方法體現綠色環保、現象明顯、創新性強等諸多特點。

關鍵詞： 吸熱反應; 環境污染; 紅外測溫儀; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2018）11-0080-03中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

吸熱反應實驗是現行高中化學教材[1]中一個重要演示實驗（如圖1所示），教材旨在通過實驗來證明Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應是一個吸熱反應。但筆者通過多年教學實踐發現，如果按照教材中的實驗方法進行實驗存在以下幾個問題： （1）反應器大燒杯是敞口的，反應生成的氨氣會污染教學環境，且耗化學試劑的量多，一次實驗要耗30克固體試劑{20g氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和10g氯化銨晶體}，不符合環保要求;（2）在室溫下進行實驗時，由于沒有隔熱材料的保護，傳熱較快，在燒杯與玻璃片（或三合板）之間不易結冰，不能凍結在一起;（3）由于水具有流動性，它能快速填充燒杯與玻璃片（或三合板）之間的空隙，在大氣壓力以及玻璃與水分子間作用力的共同作用下，燒杯與玻璃片（或三合板）很容易粘合到一起，雖與溶解吸熱導致“結冰”現象不同，但仍易造成實驗假象。

由于教材中的實驗方法存在以上不足，我們利用紅外測溫儀、具支試管、干燥管等器材，設計了新的吸熱反應實驗裝置，使反應、攪拌、氨氣的檢驗與吸收一體化完成。通過運用先進的測溫手段可以監測反應過程溫度的變化，整個實驗過程綠色環保、反應迅速、現象直觀、趣味性強，使原吸熱反應實驗存在的問題迎刃而解，收到了較好的教學效果。

2 研究現狀及分析

通過查閱資料發現，廣大化學同仁對“Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應時要吸收熱量”實驗多有研究和改進，并在省級以上期刊發表了相關研究論文十余篇，這些文章除了研究氫氧化鋇晶體和氯化銨的代用品外，歸納起來還研究了以下兩個問題： 一是解決氨氣對教學環境的污染;二是改變測定溫度變化的方法。在已經公開發表的研究論文中，我們發現其實驗方法雖有改進，但仍然不盡如人意： 有的實驗方法[2～4]雖然進行了一定的改進，但并沒有從根本上解決污染問題;有的實驗方法[5]即使利用熱敏溫度計代替常規溫度計，增大了實驗的可觀察性，但還是沒有消除氨氣對教學環境的污染，況且熱敏溫度計的熱敏探頭容易被腐蝕。由此可見，很有必要對現行化學教材的實驗方法作進一步研究，努力改革和創新，尋找一個較為理想的實驗方法，讓其不僅解決氨氣的污染問題、充分攪拌反應物問題，而且還能簡單、準確地測定反應前后的溫度變化。

3 設計理念

實驗設計理念決定實驗設計的合理性、科學性和實用性。根據環保理念和基本要求，對“Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應時要吸收熱量”實驗的創新設計，必須遵循以下原則： （1）對反應產生的污染物——氨氣進行相應處理，并大幅減少反應物的用量，從而消除對教學環境的污染。（2）由于反應物Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl均為固體物質，進行實驗時，必須使用攪拌器使兩種固體物質攪拌均勻，使反應更充分、更迅速。（3）測定反應前后溫度變化時，要求測溫裝置簡單、準確、迅速，可觀察性強。（4）實驗裝置還要具備取材容易、制作簡單、便于操作、重復性好、安全可靠等特點。

4 設計方法

依據上述設計理念，在制作實驗裝置時，采用兩種物質在具支試管內進行;生成的氨氣通過干燥管內沾有稀鹽酸的脫脂棉進行吸收，消除氨氣對教學環境的污染;利用干燥管內潤濕的紅色石蕊試紙檢驗氨氣的生成;兩種物質的攪拌可通過粗銅絲制成的攪拌器來完成;利用紅外測溫儀通過測溫孔測定反應前后反應器壁的溫度變化。

5 實驗原理

實驗過程中涉及到的化學反應：

（1） Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應：

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O-Q（熱量）;

（2） 潤濕的紅色石蕊試紙遇到氨氣變藍;

（3） 氨氣的吸收：

NH3+HClNH4Cl。

6 實驗方案

6.1 實驗用品

紅外測溫儀（歐米安儀器，GM550型，測溫范圍： -50～550℃，淘寶網有售35～65元1個）;具支試管（20mm×200mm）1支;球形干燥管1個;2號單孔橡膠塞1個;3號橡膠塞1個;粗銅絲（直徑： 0.3cm，長： 35cm）、鐵架臺、鐵夾、十字夾各1個;脫脂棉若干;錐子1把;鐵鉗1把;一次性注射器（20mL）1支

Ba（OH）2·8H2O; NH4Cl; 10%稀鹽酸;蒸餾水;紅色石蕊試紙;凡士林

6.2 儀器制作

（1） 制作攪拌器。

取一根粗銅絲（直徑： 0.3cm，長： 35cm），用鐵鉗將下端彎成鋸齒形。取一個3號橡膠塞，用錐子在其中央扎一個小孔，將粗銅絲的另一端從3號橡膠塞小頭的中央孔穿過后，用鐵鉗彎成直角搖把（如圖2所示）。

（2） 儀器組裝。

將拼裝好的攪拌器橡膠塞上下的粗銅絲表面涂上凡士林后，上下抽動一下粗銅絲，使粗銅絲旋轉靈活，粗銅絲與橡膠塞之間被凡士林密封嚴實以防漏氣。將其放到具支試管里，使橡膠塞塞緊在具支試管口處。在具支試管的支管處安裝單球干燥管，干燥管內盛放著用水潤濕的紅色石蕊試紙和用稀鹽酸潤濕的脫脂棉團（如圖3所示）。

圖4 裝置

6.3 實驗裝置

如圖4所示，鐵架臺、鐵夾、十字架已略去。

A.直角搖把;B.用鹽酸（10%）潤濕的脫脂棉團;C.用蒸餾水潤濕的紅色石蕊試紙;D.攪拌器;E.紅外測溫儀;F.氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體混合物;G.紅外光線

6.4 實驗過程及其現象

（1） 在具支試管內加入1mL蒸餾水。打開紅外測溫儀的開關，并置紅外測溫儀于具支試管20cm處，使紅外光線直接照射具支試管底部，測出的初始溫度為8.8℃。

（2） 在反應器內分別加入2g氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和1g氯化銨晶體（NH4Cl）后，塞緊橡膠塞，順時針或逆時針旋轉直角搖把，攪拌具支試管底部的反應物。

（3） 攪拌1min后可觀察到單球干燥管內的紅色石蕊試紙變藍，說明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應生成了氨氣，剩下的氨氣被脫脂棉團內的稀鹽酸吸收（NH3+HClNH4Cl）。

（4） 攪拌3min后，打開紅外測溫儀的開關，并將紅外測溫儀放置距具支試管底部20cm處，讓紅外光線直達具支試管外壁，此時測出具支試管底部外壁的溫度為-3.8℃，說明氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應是一個吸熱反應。

（5） 實驗完畢后取下具支試管支管上的干燥管，通過支管將一次性注射器內的3mL稀鹽酸注入到具支試管內，使反應器內的氨氣全部被吸收（NH3+HClNH4Cl）。

6.5 實驗說明

（1） 向具支試管中加入蒸餾水的目的是為了使氫氧化鋇晶體[Ba（OH）2·8H2O]和氯化銨晶體（NH4Cl）的反應更充分、更迅速，反應體系溫度降低得更快。

（2） 使用紅外測溫儀，讀數迅速、準確，可以隨時測定體系的溫度變化，無需等到實驗完畢進行測定，節省了實驗時間，提高了教學效率。

7 結束語

利用紅外測溫儀、具支試管、攪拌器、干燥管等器材研制的吸熱反應實驗裝置，既簡單又實用，不僅解決了生成物氨氣的污染問題，而且還可以使反應物充分攪拌、充分反應從而達到最佳實驗效果。此外，使用現代科技產品紅外測溫儀測定反應的溫度變化，避免了利用常規溫度計、熱敏溫度計等測溫儀器測定溫度帶來的不便。通過該實驗裝置的使用，可以潛移默化地培養學生的環保意識和創新精神，激發學生的學習興趣，進一步提高了化學實驗教學質量。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室編著.全日制普通高級中學教科書·化學（必修）（第一冊）[M].北京： 人民教育出版社， 2003： 19.

[2]李靜雯.八水合氫氧化鋇與氯化銨吸熱反應實驗改進[J].教學儀器與實驗， 2014，（9）： 35.

[3]蒯世定，劉懷樂.關于吸熱反應實驗的研究[J].化學教學， 2002，（5）： 12.

[4]龐春輝，關寧，劉文.吸熱反應的實驗創新[J].中學化學教學參考， 2017，（8）： 63.

[5]張春俠，趙研.吸熱反應實驗的環保改進[J].教學儀器與實驗， 2009，（3）： 23.