楊麗娟 張麗敏 馬怡陽(yáng)
摘要: 利用可逆測(cè)溫試紙、玻璃水槽、玻璃鐘罩以及玻璃試管等實(shí)驗(yàn)材料,設(shè)計(jì)并制作中學(xué)化學(xué)吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置既能測(cè)出吸熱反應(yīng)過程中的溫度變化,又能大幅降低有毒試劑的用量并消除生成物氨氣對(duì)環(huán)境的污染,從而解決教材中吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的問題,提高了化學(xué)教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞: 可逆測(cè)溫試紙; 吸熱反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究
文章編號(hào): 1005-6629(2023)04-0074-03
中圖分類號(hào): G633.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
1? 問題提出
為了證實(shí)吸熱反應(yīng)的客觀存在,高中化學(xué)教材[1, 2]中設(shè)計(jì)了吸熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)(如圖1所示),這種實(shí)驗(yàn)方法具有取材容易、方法簡(jiǎn)單、操作方便等諸多特點(diǎn)。但也存在一些不盡如人意的地方,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:其一,實(shí)驗(yàn)選用20克有毒試劑氫氧化鋇,反應(yīng)產(chǎn)生的生成物氨氣也會(huì)污染教學(xué)環(huán)境,很不適合當(dāng)今的環(huán)保要求,不利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí);其二,反應(yīng)吸收的熱量常常難以降到冰點(diǎn)使木板與燒杯底凍結(jié)在一起,
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)想大相徑庭;
其三,即使木板與燒杯粘在一起,也容易使學(xué)生產(chǎn)生一定的誤解,因?yàn)橐部赡苁撬谋砻鎻埩λ?。教材中吸熱反?yīng)實(shí)驗(yàn)存在的這些問題,無(wú)助于課堂教學(xué)質(zhì)量的提高。因此,有必要再作深入的探討和改進(jìn)。
2? 相關(guān)研究簡(jiǎn)介
廣大化學(xué)教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)做過很多研究,成果頗豐,并在省級(jí)以上期刊發(fā)表研究論文數(shù)十篇。在發(fā)表的論文中,實(shí)驗(yàn)方法雖有所改進(jìn),但仍有不足之處:一是有的實(shí)驗(yàn)方法[3~5]雖然進(jìn)行了一定的改進(jìn),但生成物氨氣仍然外逸,沒有從根本上解決污染問題,沒有達(dá)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的基本要求;二是有的實(shí)驗(yàn)方法[6]即使利用熱敏溫度計(jì)代替常規(guī)溫度計(jì),增大了實(shí)驗(yàn)的可觀察性,但熱敏溫度計(jì)的熱敏探頭容易被腐蝕;三是有的實(shí)驗(yàn)方法[7~10]使用有毒的氫氧化鋇晶體的量仍較大,依然會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。為此,很有必要對(duì)現(xiàn)行化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)方法作進(jìn)一步深化研究,使設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置更具科學(xué)性、合理性和環(huán)保性,充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能,更好地為化學(xué)課堂教學(xué)服務(wù)。
3? 設(shè)計(jì)理念
根據(jù)吸熱反應(yīng)反應(yīng)物Ba(OH)2·8H2O有毒、反應(yīng)生成污染物氨氣、反應(yīng)前后具有溫度變化以及反應(yīng)時(shí)需要進(jìn)行攪拌等特點(diǎn),在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)必須注意以下幾點(diǎn):一是要有意識(shí)地減少反應(yīng)物Ba(OH)2·8H2O的用量;二是要有氨氣吸收裝置和檢驗(yàn)方法;三是要有測(cè)溫措施;四是要有攪拌功能。并且盡可能地使攪拌、反應(yīng)、測(cè)溫以及氨氣的吸收、檢驗(yàn)一體化完成,簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作過程,從根本上解決教材中原實(shí)驗(yàn)存在的問題,特別是氨氣的吸收與檢驗(yàn)、測(cè)定反應(yīng)前后的溫度變化以及反應(yīng)物的攪拌等問題,使設(shè)計(jì)者的一些新構(gòu)想、新理念、新發(fā)現(xiàn)能夠有機(jī)地融入整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之中,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)改革的目的。
4? 設(shè)計(jì)方法
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念是為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法服務(wù)的,它使實(shí)驗(yàn)改革的目標(biāo)更加明確、更具針對(duì)性,從而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、改革創(chuàng)新、選擇材料、儀器組裝、實(shí)驗(yàn)效果等方面實(shí)現(xiàn)化學(xué)改革的新設(shè)想,充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的基本功能。本次改進(jìn)盡量減少Ba(OH)2·8H2O的用量{2g氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]和1g氯化銨晶體作為反應(yīng)物即可}。
由于吸熱反應(yīng)生成的氨氣在水中的溶解度較大,
極易溶于水,在常溫、常壓下,1體積水中就能溶解700體積的氨氣,因此吸收氨氣可利用冷水進(jìn)行密封吸收,用無(wú)色的酚酞檢驗(yàn)氨氣。吸熱反應(yīng)前后溫度變化的測(cè)定,可利用可見度較大的可逆測(cè)溫試紙(如圖2所示)完成。反應(yīng)物的攪拌可通過螺旋狀粗銅絲的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。新的實(shí)驗(yàn)裝置一定要具備簡(jiǎn)單、實(shí)用、美觀、環(huán)保等特點(diǎn),不僅能夠順利完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù),而且通過實(shí)驗(yàn)還會(huì)給人一種美的享受。
5? 實(shí)驗(yàn)原理
(1) 氫氧化鋇晶體與氯化銨的吸熱反應(yīng)
Ba(OH)2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O-Q
(2) 氨氣溶于水,生成氨水,顯堿性
NH3+H2ONH3·H2O
(3) 酚酞遇堿變紅
6? 實(shí)驗(yàn)方案
6.1? 實(shí)驗(yàn)材料
試管(2cm×20cm)1支;可逆測(cè)溫試紙(0~50℃)1條;滴管1支;圓形玻璃水槽(直徑27cm)1個(gè);玻璃鐘罩(150mm×280mm)1個(gè);單層玻璃杯(口徑5.3cm,底徑6.5cm,高19.5cm)1只;4號(hào)橡膠塞1只、11號(hào)橡膠塞1只;粗銅絲(35cm)1根;錐子1把;打孔器1套;圓木銼1把;鐵鉗1把
氫氧化鋇晶體;氯化銨;蒸餾水;酚酞溶液;玻璃膠
6.2? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
(1) 取1個(gè)圓形玻璃水槽(直徑27cm),用玻璃膠將單層玻璃杯粘接在玻璃水槽的中央(如圖3所示)。
(2) 取1只11號(hào)橡膠塞,用打孔器和圓形木銼,在其中間打一個(gè)透孔,然后將1支試管(2cm×20cm)插入其中,在試管的外側(cè)貼上可逆測(cè)溫試紙(如圖4所示)。
(3) 將裝有試管的膠塞塞在玻璃杯杯口處(如圖5所示)。
(4) 取4號(hào)橡膠塞1只,將1根粗銅絲(長(zhǎng)35cm)從膠塞的中心穿過,用鐵鉗將兩端分別彎成螺旋狀和搖把狀(如圖6所示)。
6.3? 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置(如圖7所示),其中:A.粗銅絲搖把;B.玻璃鐘罩;C.玻璃杯;D.試管;E.可逆測(cè)溫試紙;F.玻璃水槽;G.蒸餾水與酚酞溶液;H.氫氧化鋇晶體與氯化銨的混合物。
6.4? 實(shí)驗(yàn)過程
(1) 試管中分別加入2g氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]和1g氯化銨晶體,此時(shí)可逆測(cè)溫試紙的溫度為20℃。
(2) 在水槽中加入蒸餾水,使水深4~5cm,然后加入幾滴酚酞溶液并攪拌均勻;扣上玻璃鐘罩,鐘罩的上口塞上帶有粗銅絲的膠塞,并調(diào)節(jié)銅絲的高度,使下部的螺旋狀恰好與試管底部相接觸。
(3) 用手順時(shí)針或逆時(shí)針搖動(dòng)粗銅絲的搖把,不斷攪動(dòng)試管底部的反應(yīng)物,可觀察到可逆測(cè)溫試紙上所顯示的溫度逐漸下降至5℃。玻璃水槽內(nèi)的溶液逐漸變紅,由此驗(yàn)證此反應(yīng)為吸熱反應(yīng),產(chǎn)生的氨氣被蒸餾水吸收使其顯堿性,酚酞遇堿變紅。
7? 幾點(diǎn)說明
(1) Ba(OH)2·8H2O有毒,減少其用量,既可降低污染,又可節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。
(2) 實(shí)驗(yàn)裝置制作成功以后,可以多次使用。
(3) 可逆測(cè)溫試紙?zhí)詫毦W(wǎng)有售,不同測(cè)溫范圍可以任選。
(4) 可逆測(cè)溫試紙物美價(jià)廉,適合實(shí)驗(yàn)使用。
(5) 可逆測(cè)溫試紙可以多次使用,不易破損,溫度升高與降低均可顯示。
(6) 實(shí)驗(yàn)完畢后,將水槽內(nèi)的氨水、試管內(nèi)的生成物倒入指定的容器內(nèi),將儀器用水沖洗干凈備用。
8? 結(jié)語(yǔ)
通過可逆測(cè)溫試紙?jiān)诨瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,我們發(fā)現(xiàn),利用可逆測(cè)溫試紙測(cè)定實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化,具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、可靠、便于觀察、趣味性強(qiáng)等諸多特點(diǎn),具有一定的應(yīng)用價(jià)值,深受師生的好評(píng)。
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