利用仪器组合法进行吸热反应改进

姚娟娟++王世存

在人教版高中化学教材中，吸热反应的演示实验是化学2第2章第1节《化学能与热能》里呈现的内容。通过演示实验可使化学反应中的热量变化显性化，学生能够亲身感受化学能与热能的相互转化，从而有助于学生建构有意义的知识体系，而吸热反应演示实验的高成功率、现象的明显可视化等都是达到以上目标的前提，从中可看出教材中设计演示实验的可行性对于构建良好的课堂教学有重要的意义。

1问题提出

在化学学科核心素养的统领下，《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》实施建议中针对本节教学内容的选择和组织指出：“要求学生能够基于具体的实验现象及事实描述和说明化学反应中物质与能量的转化”。而对于现行高中化学人教版教材利用Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应进行化学能与热能相互转化的教学演示实验，主要存在以下几点不足。

（1）反应体系会过多地吸收外界的热量，降低实验成功率。

（2）药品用量多，反应不彻底，造成药品的浪费。

（3）反应体系为敞开体系，氨气溢出，违背实验的安全性、绿色化原则。

（4）未处理的重金属Ba2+有一定的毒性和腐蚀性，存在安全隐患。

（5）未对反应体系中的产物进行验证，造成完整知识体系的缺失。

针对以上缺陷中涉及到的Ba2+腐蚀性和毒性的影响，能否用Ca（OH）2替代教材中的Ba（OH）2·8H2O进行吸热反应的演示实验？在此疑问下，笔者从定量的热力学角度和动力学角度对Ba（OH）2·8H2O及Ca（OH）2分别与NH4Cl进行吸热反应教学的可行性进行了对比分析，与此同时给出了相关的定性阐述。1.1定量分析

计算Ba（OH）2·8H2O、Ca（OH）2分别与NH4Cl反应的标准摩尔反应热（ΔrHθm）和标准摩尔吉布斯自由能（ΔrGθm），进而从热力学的角度比较反应吸收热量的大小，从动力学的角度辨析反应是否在常温下能够自发反应。两个反应中所涉及到物质的热力学数据如表1所示，利用相关数据分别进行计算。（注：反应热ΔrHθm与反应温度有关，但受温度的影响较小，所以认为在一般溫度范围内ΔrHθm和298 K的ΔrHθm相等。）

两种不同反应下的化学方程式分别为：

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

（2）Ca（OH）2+2NH4Cl=CaCl2+2NH3↑+2H2O。

根据：

ΔrHθm=νiiΔfHθm（生成物）—νiiΔfHθm（反应物）；

ΔrSθm=νiiΔfSθm（生成物）—νiiΔfSθm（反应物）；

ΔrGθm=ΔrHθm—ΔrSθmT

得反应（1）：ΔrHθm=165.8 kJ/mol

ΔrSθm=89642 J·mol-1·K-1

ΔrGθm=-101.33 kJ/mol

反应（2）：ΔrHθm=155.2 kJ/mol

ΔrSθm=361.4 J·mol-1·K-1

ΔrGθm=47.5 kJ/mol

从以上可知，热力学数据表现出两反应均为吸热反应且吸热大小相差不大，动力学数据表示出Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应的吉布斯自由能小于0，可知其在常温下能进行自发反应，而Ca（OH）2与NH4Cl反应的吉布斯自由能大于0，在常温下不能进行自发反应，尽管在外界改变条件下，能够发生反应，但不免造成实验误差及操作的复杂性，所以笔者认为引进Ca（OH）2是不合理的。

1.2定性分析

Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl是典型的能够在不加热的情况下自发进行的吸热反应，之所以能够自发进行，是因为反应物体系可克服反应本身的活化能（能垒），而Ca（OH）2与NH4Cl必须施加外界条件才能发生。此外考虑离子极化的知识，Ca2+的离子极化能力强于Ba2+，在相同的条件下，钙的氢氧化物溶解度比钡的氢氧化物溶解度更小，所以作为反应物Ca（OH）2会增大反应的不彻底性，浪费更多的药品。所以在钡的氢氧化物与钙的氢氧化物中，还应该选择前者作为吸热反应的反应物，但在选择氢氧化钡做反应物时，不宜用Ba（OH）2固体和Ba（OH）2溶液，因为固体中的离子不能自由移动，不利于反应进行，而溶液会溶解反应放出的氨气，对产物的确定有影响，而用带结晶水的Ba（OH）2·8H2O可解决以上问题。

2实验改进

根据以上的定量与定性分析结果，本文沿用Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应进行吸热反应演示实验的课堂教学，并针对教材中实验的不足进行了如下创新性设计，改进装置如图1所示。

2.1实验用品

（1）实验仪器：带支管口的圆底烧瓶1个、带支管口的试管1个、干燥管1支、胶头滴管1个、带支管口的U型管1个、带孔橡胶塞3个、实心橡胶塞2个、木质水槽1个（可用玻璃水槽代替）。

（2）实验药品：Ba（OH）2·8H2O、NH4Cl、稀硫酸、酚酞溶液、红墨水、脱脂棉、棉花。

2.2实验步骤

（1）将空试管与圆底烧瓶固定在一起，然后将装着吸有适量酚酞溶液脱脂棉的干燥管与试管连接，接着将U型管与圆底烧瓶的支管口用橡胶管相连，最后将圆底烧瓶放进空的木质水槽中，并在空隙处塞上棉花。

（2）向U型管中添加红墨水并调节两边液面使其相平。

（3）将10 g Ba（OH）2·8H2O、5 g NH4Cl研磨均匀混合后放入带支管口的试管中，然后挤压吸有蒸馏水的胶头滴管，加快实验反应速率。

（4）实验开始后，观察U型管中红墨水液面的变化情况及干燥管中脱脂棉的颜色变化。

（5）实验结束后，将吸有蒸馏水的胶头滴管换成吸有稀硫酸的胶头滴管，挤压胶头滴管，将适量的稀硫酸滴入反应后的物质中，处理重金属Ba2+，吸收多余的氨气。

2.3实验现象与结论

（1）干燥管中的脱脂棉变红，说明发生了化学反应且生成了新物质氨气，其化学方程式为：

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

（2）U型管中红墨水的液面左高右低，说明该反应为吸热反应。

3改进优点与注意事项

3.1改进优点

（1）一体化设计。通过将不同的仪器进行组合能同时完成反应吸放热的判定、生成气体的检验、反应的后处理等。实验现象明显、可视化良好，有助于达成特定的教学效果。

（2）成功率高。U型管液面的变化显著，且水槽中塞有的棉花一方面可固定烧瓶，另一方面可对烧瓶进行适当的温度调节，降低了反应吸收外界不相关的热量而造成实验成功率减小的不足。

（3）环保。反应后利用稀硫酸可将试管中剩余的氨气吸收，避免氨气溢出；同时反应掉具有腐蚀性和毒性的Ba2+，防止对师生安全造成危害，在这个过程中也可培养学生的环保意识。

3.2注意事项

（1）在组装实验装置的过程中，Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl药品要在其他仪器和药品准备完全后再加进试管，防止Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl已发生反应而装置未组装好，导致实验现象不明显或实验失败。

（2）胶头滴管的漏嘴口要高于试管的支管口，防止生成的氨气进入胶头滴管。此外试管中装有反应物的位置要尽量与圆底烧瓶的支管口相平，以此保证反应吸收的热量尽可能地全部来自U型管。

收稿日期：2017-03-26