鄭傳明

(北京理工大學(xué)理學(xué)院 北京 100081)

溶解熱測量實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[1]。在溶劑中分次加入溶質(zhì)，分別測出熱效應(yīng)，根據(jù)各次熱效應(yīng)總和計(jì)算各濃度下的積分溶解熱。制作Qs-n0圖(圖1)，根據(jù)曲線特定點(diǎn)的切線斜率計(jì)算該濃度溶液的微分稀釋熱;根據(jù)切線在縱坐標(biāo)上的截距，計(jì)算該濃度溶液的微分溶解熱;兩濃度的積分溶解熱之差為積分稀釋熱。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。市售儀器自帶的測量軟件通常強(qiáng)調(diào)高度智能化，數(shù)據(jù)采集與計(jì)算結(jié)果由測量軟件自動完成，學(xué)生只需分次在溶劑中添加溶質(zhì)，即可得到打印的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)生不參與數(shù)據(jù)處理和表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程，不利于學(xué)生理解溶解熱的相關(guān)基本概念和測量原理，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力[2]。

圖1 Qs-n0圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

作者設(shè)計(jì)了改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)編寫了測量軟件。新的測量軟件用微機(jī)采集和保存原始數(shù)據(jù)，然后提供由易到難的幾種數(shù)據(jù)處理方案，學(xué)生可根據(jù)自己的能力選擇，以激勵(lì)學(xué)生挑戰(zhàn)自我。

測量軟件采用常用的視窗界面，簡潔、易用。學(xué)生可通過菜單完成各項(xiàng)操作。菜單及功能見表1。

表1 軟件菜單及其功能

軟件的溶解測量界面如圖3所示。

圖3 軟件測量界面

測量軟件每秒記錄一次原始數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、溫差、加熱電流、加熱電壓。在測量窗口顯示溫差值，并圖示溫差隨時(shí)間的變化，直觀地反映了在溶解過程中，吸熱使溫度下降，電加熱使溫度回升，即補(bǔ)償法量熱原理。在加熱過程中，加熱功率往往難以恒定，本軟件沒有采用時(shí)間乘以加熱功率計(jì)算熱量的簡單辦法，而是實(shí)時(shí)顯示加熱功率，根據(jù)每一時(shí)刻的功率計(jì)算熱量并累計(jì)，在測量窗口顯示加熱時(shí)間并顯示加熱熱量累計(jì)值。可以比較兩種計(jì)算熱量方法的差別，采用熱量累計(jì)的方法能避免加熱功率變化帶來的誤差。在溶解過程中，軟件逐步提示加入下一份溶質(zhì)，至全部溶解完成后，軟件將測量數(shù)據(jù)存盤保存。

溶解熱測量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程比較復(fù)雜，本軟件設(shè)計(jì)了由易到難的3種方案供學(xué)生選擇。學(xué)生可以選擇最容易的C方案，由本測量軟件自動處理數(shù)據(jù)、打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4,圖5)。也可以選擇難度較大的B方案，根據(jù)溶解每份硝酸鉀對應(yīng)的熱量數(shù)據(jù)，學(xué)生自己做Qs-n0圖，求算特定點(diǎn)的切線斜率、切線截距等，并計(jì)算結(jié)果。還可以選擇難度更大的A方案，得到一個(gè)數(shù)據(jù)電子文件，包括每秒鐘的溫差、加熱電流、加熱電壓等數(shù)據(jù)，學(xué)生自己計(jì)算每份硝酸鉀對應(yīng)的熱量，做Qs-n0圖，求算特定點(diǎn)的切線斜率、切線截距等，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 Qs-n0圖顯示

圖5 數(shù)據(jù)與結(jié)果顯示

學(xué)生選擇不同的數(shù)據(jù)處理方案，會得到不同的成績(選擇C方案，本次實(shí)驗(yàn)成績最高可得70分(百分制)；選擇B方案，本次實(shí)驗(yàn)成績最高可得90分；選擇A方案，本次實(shí)驗(yàn)成績最高可得100分)。學(xué)生既可以選擇其中一種方案，也可以幾種方案全選，即先選擇難度最低的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后在課后練習(xí)用難度更大的方案處理數(shù)據(jù)，以此激勵(lì)學(xué)生挑戰(zhàn)自我。

利用本軟件進(jìn)行溶解熱測量實(shí)驗(yàn)，學(xué)生反映測量軟件界面友好易用，能夠直觀地了解溶解熱測量過程和基本原理。少部分學(xué)生只選擇C方案，選擇A方案并在課堂上當(dāng)時(shí)完成的學(xué)生也比較少。大部分學(xué)生先選擇C方案，打印一份實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)又選擇A方案，用U盤復(fù)制帶走實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，課下練習(xí)用通用數(shù)據(jù)處理軟件Excel和Origin處理數(shù)據(jù)，最后按照A方案要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過用微機(jī)采集和處理數(shù)據(jù)的實(shí)戰(zhàn)練習(xí)，可使學(xué)生體會到計(jì)算機(jī)在化學(xué)研究中的重要作用，提高了應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的能力，并有助于激發(fā)他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)、探索的熱情。

[1] 鄭傳明,呂桂琴.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:北京理工大學(xué)出版社,2005

[2] 鄭傳明,王良玉,勞捷.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(12):45