姚娟娟++王世存

在人教版高中化學(xué)教材中，吸熱反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)是化學(xué)2第2章第1節(jié)《化學(xué)能與熱能》里呈現(xiàn)的內(nèi)容。通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)可使化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化顯性化，學(xué)生能夠親身感受化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，從而有助于學(xué)生建構(gòu)有意義的知識(shí)體系，而吸熱反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的高成功率、現(xiàn)象的明顯可視化等都是達(dá)到以上目標(biāo)的前提，從中可看出教材中設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)的可行性對(duì)于構(gòu)建良好的課堂教學(xué)有重要的意義。

1問(wèn)題提出

在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的統(tǒng)領(lǐng)下，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》實(shí)施建議中針對(duì)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的選擇和組織指出：“要求學(xué)生能夠基于具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及事實(shí)描述和說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化”。而對(duì)于現(xiàn)行高中化學(xué)人教版教材利用Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)化的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，主要存在以下幾點(diǎn)不足。

（1）反應(yīng)體系會(huì)過(guò)多地吸收外界的熱量，降低實(shí)驗(yàn)成功率。

（2）藥品用量多，反應(yīng)不徹底，造成藥品的浪費(fèi)。

（3）反應(yīng)體系為敞開(kāi)體系，氨氣溢出，違背實(shí)驗(yàn)的安全性、綠色化原則。

（4）未處理的重金屬Ba2+有一定的毒性和腐蝕性，存在安全隱患。

（5）未對(duì)反應(yīng)體系中的產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證，造成完整知識(shí)體系的缺失。

針對(duì)以上缺陷中涉及到的Ba2+腐蝕性和毒性的影響，能否用Ca（OH）2替代教材中的Ba（OH）2·8H2O進(jìn)行吸熱反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)？在此疑問(wèn)下，筆者從定量的熱力學(xué)角度和動(dòng)力學(xué)角度對(duì)Ba（OH）2·8H2O及Ca（OH）2分別與NH4Cl進(jìn)行吸熱反應(yīng)教學(xué)的可行性進(jìn)行了對(duì)比分析，與此同時(shí)給出了相關(guān)的定性闡述。1.1定量分析

計(jì)算Ba（OH）2·8H2O、Ca（OH）2分別與NH4Cl反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)熱（ΔrHθm）和標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能（ΔrGθm），進(jìn)而從熱力學(xué)的角度比較反應(yīng)吸收熱量的大小，從動(dòng)力學(xué)的角度辨析反應(yīng)是否在常溫下能夠自發(fā)反應(yīng)。兩個(gè)反應(yīng)中所涉及到物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示，利用相關(guān)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算。（注：反應(yīng)熱ΔrHθm與反應(yīng)溫度有關(guān)，但受溫度的影響較小，所以認(rèn)為在一般溫度范圍內(nèi)ΔrHθm和298 K的ΔrHθm相等。）

兩種不同反應(yīng)下的化學(xué)方程式分別為：

（1）Ba（OH）2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O；

（2）Ca（OH）2+2NH4Cl=CaCl2+2NH3↑+2H2O。

根據(jù)：

ΔrHθm=νiiΔfHθm（生成物）—νiiΔfHθm（反應(yīng)物）；

ΔrSθm=νiiΔfSθm（生成物）—νiiΔfSθm（反應(yīng)物）；

ΔrGθm=ΔrHθm—ΔrSθmT

得反應(yīng)（1）：ΔrHθm=165.8 kJ/mol

ΔrSθm=89642 J·mol-1·K-1

ΔrGθm=-101.33 kJ/mol

反應(yīng)（2）：ΔrHθm=155.2 kJ/mol

ΔrSθm=361.4 J·mol-1·K-1

ΔrGθm=47.5 kJ/mol

從以上可知，熱力學(xué)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出兩反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)且吸熱大小相差不大，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)表示出Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)的吉布斯自由能小于0，可知其在常溫下能進(jìn)行自發(fā)反應(yīng)，而Ca（OH）2與NH4Cl反應(yīng)的吉布斯自由能大于0，在常溫下不能進(jìn)行自發(fā)反應(yīng)，盡管在外界改變條件下，能夠發(fā)生反應(yīng)，但不免造成實(shí)驗(yàn)誤差及操作的復(fù)雜性，所以筆者認(rèn)為引進(jìn)Ca（OH）2是不合理的。

1.2定性分析

Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl是典型的能夠在不加熱的情況下自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)，之所以能夠自發(fā)進(jìn)行，是因?yàn)榉磻?yīng)物體系可克服反應(yīng)本身的活化能（能壘），而Ca（OH）2與NH4Cl必須施加外界條件才能發(fā)生。此外考慮離子極化的知識(shí)，Ca2+的離子極化能力強(qiáng)于Ba2+，在相同的條件下，鈣的氫氧化物溶解度比鋇的氫氧化物溶解度更小，所以作為反應(yīng)物Ca（OH）2會(huì)增大反應(yīng)的不徹底性，浪費(fèi)更多的藥品。所以在鋇的氫氧化物與鈣的氫氧化物中，還應(yīng)該選擇前者作為吸熱反應(yīng)的反應(yīng)物，但在選擇氫氧化鋇做反應(yīng)物時(shí)，不宜用Ba（OH）2固體和Ba（OH）2溶液，因?yàn)楣腆w中的離子不能自由移動(dòng)，不利于反應(yīng)進(jìn)行，而溶液會(huì)溶解反應(yīng)放出的氨氣，對(duì)產(chǎn)物的確定有影響，而用帶結(jié)晶水的Ba（OH）2·8H2O可解決以上問(wèn)題。

2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

根據(jù)以上的定量與定性分析結(jié)果，本文沿用Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)進(jìn)行吸熱反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)，并針對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行了如下創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，改進(jìn)裝置如圖1所示。

2.1實(shí)驗(yàn)用品

（1）實(shí)驗(yàn)儀器：帶支管口的圓底燒瓶1個(gè)、帶支管口的試管1個(gè)、干燥管1支、膠頭滴管1個(gè)、帶支管口的U型管1個(gè)、帶孔橡膠塞3個(gè)、實(shí)心橡膠塞2個(gè)、木質(zhì)水槽1個(gè)（可用玻璃水槽代替）。

（2）實(shí)驗(yàn)藥品：Ba（OH）2·8H2O、NH4Cl、稀硫酸、酚酞溶液、紅墨水、脫脂棉、棉花。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將空試管與圓底燒瓶固定在一起，然后將裝著吸有適量酚酞溶液脫脂棉的干燥管與試管連接，接著將U型管與圓底燒瓶的支管口用橡膠管相連，最后將圓底燒瓶放進(jìn)空的木質(zhì)水槽中，并在空隙處塞上棉花。

（2）向U型管中添加紅墨水并調(diào)節(jié)兩邊液面使其相平。

（3）將10 g Ba（OH）2·8H2O、5 g NH4Cl研磨均勻混合后放入帶支管口的試管中，然后擠壓吸有蒸餾水的膠頭滴管，加快實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率。

（4）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，觀察U型管中紅墨水液面的變化情況及干燥管中脫脂棉的顏色變化。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將吸有蒸餾水的膠頭滴管換成吸有稀硫酸的膠頭滴管，擠壓膠頭滴管，將適量的稀硫酸滴入反應(yīng)后的物質(zhì)中，處理重金屬Ba2+，吸收多余的氨氣。

2.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

（1）干燥管中的脫脂棉變紅，說(shuō)明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)且生成了新物質(zhì)氨氣，其化學(xué)方程式為：

Ba（OH）2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O。

（2）U型管中紅墨水的液面左高右低，說(shuō)明該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

3改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)與注意事項(xiàng)

3.1改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

（1）一體化設(shè)計(jì)。通過(guò)將不同的儀器進(jìn)行組合能同時(shí)完成反應(yīng)吸放熱的判定、生成氣體的檢驗(yàn)、反應(yīng)的后處理等。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、可視化良好，有助于達(dá)成特定的教學(xué)效果。

（2）成功率高。U型管液面的變化顯著，且水槽中塞有的棉花一方面可固定燒瓶，另一方面可對(duì)燒瓶進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)，降低了反應(yīng)吸收外界不相關(guān)的熱量而造成實(shí)驗(yàn)成功率減小的不足。

（3）環(huán)保。反應(yīng)后利用稀硫酸可將試管中剩余的氨氣吸收，避免氨氣溢出；同時(shí)反應(yīng)掉具有腐蝕性和毒性的Ba2+，防止對(duì)師生安全造成危害，在這個(gè)過(guò)程中也可培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

3.2注意事項(xiàng)

（1）在組裝實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程中，Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl藥品要在其他儀器和藥品準(zhǔn)備完全后再加進(jìn)試管，防止Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl已發(fā)生反應(yīng)而裝置未組裝好，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或?qū)嶒?yàn)失敗。

（2）膠頭滴管的漏嘴口要高于試管的支管口，防止生成的氨氣進(jìn)入膠頭滴管。此外試管中裝有反應(yīng)物的位置要盡量與圓底燒瓶的支管口相平，以此保證反應(yīng)吸收的熱量盡可能地全部來(lái)自U型管。

收稿日期：2017-03-26