高中化学实验创新设计—中和反应热的测定

郭思贝

(山西省临汾市第一中学，山西 临汾 041000)

高中化学实验创新设计—中和反应热的测定

郭思贝

(山西省临汾市第一中学，山西 临汾 041000)

针对中和反应热测定存在的不足提出了改良保温装置(用杜瓦瓶代替烧杯)、测量方法(用传感技术代替温度计)和数据处理方法(Origin 软件作图法的使用)的实验方案， 并通过实验分析了改进后的方案数据。证实了改进后的保温装置保温效果更好，实验测定值的误差在中学阶段做中和热测量实验的允许范围之内，更接近理论值。

中和反应热；保温装置；测量方法；数据处理方法；改进探究

“中和反应反应热(后简称中和热)的测定”是高中化学教材中的一个重要的实验，也是现行高中化学教材中为数不多的定量实验。该实验不但能很好地培养学生的实验基本操作和对实验数据分析处理能力，而且对于引导和发掘中学生创新能力，也有着非常重要的作用。

1 实验

1.1 实验药品及仪器

实验药品：NaOH、CH3COOH、HCl 溶液(浓度均为 1mol·L-1)；

实验装置：中和热测定装置 1 套；其中图1为中和热测定装置，图2为杜瓦瓶结构图。

图1 中和热测定装置

图2 杜瓦瓶结构图

1.2 实验方案

1.2.1 量热计常数(K)的测定

按上述操作方法重复两次，取其平均值。

1.2.2 酸碱中和热测定

取50 mL的1 mol·L-1NaOH溶液注入碱贮存器，仔细检查确定不漏液后，将玻璃棒插入贮存器中。用量筒量取400 mL蒸馏水注入用净布或滤纸擦净的杜瓦瓶中，然后加入50 mL的1 mol·L-1HCl溶液。轻轻塞紧瓶塞，用搅拌器均匀搅拌，并记录温度(每分钟一次)。记10个数后，将碱贮存器稍稍提起，用玻璃棒将胶塞捅掉(不要用力过猛，已免玻璃棒碰破杜瓦瓶之内壁而损坏仪器)。捅掉胶塞后，即将碱贮存器上下移动两次，使碱液全部流出。此后不断搅拌，并继续每隔1s记录一次温度。待温度变化缓慢后，再每隔1min记录5个数据后就停止测定。用Origin 软件作图法确定△T2。按上述方法重复两次，取其平均值。

用 CH3COOH代替HCl，重复上述操作，求△T3。

2 数据记录和处理

将数据记录于表1：P= t=

表1 数据记录

2.1 量热计常数的计算

由实验可知，通电所产生的热量使量热计温度上升△T，由焦耳-楞次定律可得：

利用医院管理信息系统（HIS），提取2014年干预前已出院清洁手术病历528例为对照组，男性237 例，女性 291 例，年龄 18～68 岁，平均（47.5±5.9）岁，病因包括甲状腺42例、乳腺85例、腹股沟疝76例、骨折内固定取出术266例及白内障59例；随机抽取综合干预后2017年已出院清洁手术病历614例为干预组，男性279例，女性335例，年龄20～72岁，平均（46.9±6.1）岁，病因包括甲状腺 54 例、乳腺97例、腹股沟疝92例、骨折内固定取出术298例及白内障73例。两组病例均排除术前已存在感染者，在年龄、性别、手术类别等方面均无显著差异（P＞0.05），具有可比性。

Q =UIT=K△T

(1)

式中：Q为通电所产生的热量(J)；I为电流强度(A)；U为电压(V)；t为通电时间(s)；△T为通电使温度升高的数值(℃)；K为量热计常数，其物理意义是量热计每升高1℃所需之热量。它是由杜瓦瓶以及其中仪器和试剂的质量和比热所决定的。当使用某一固定量热计时，K为常数，由(1)式可得：

(2)

将△T1(平均值)代入(2)式，求出量热计常数K。

表2 测定量热计常数K的时间和温度

图3 量热计常数K的测定曲线

2.2 中和热的计算

反应的摩尔热效应可表示为：

(3)

式中：c为溶液的浓度；V为溶液的体积(mL)；△T为体系的温度升高值。

利用(3)式，将K及△T2(平均值)代入，求出盐酸与氢氧化钠溶液的中和反应的摩尔中和热△H中和。

表3 测定HCl和NaOH中和焓的时间和温度

图4 HCl与NaOH反应的温度曲线

2.3 解离热的计算

利用(3)式，将K及△T3(平均值)代入，求出弱酸与强碱中和反应的摩尔热效应△H。利用盖斯定律求出弱酸分子的摩尔解离热△H解离，即：

△H解离=△H-△H中和

(4)

表4 测定 CH3COOH和NaOH中和焓的时间和温度

图5 CH3COOH与NaOH反应的温度曲线

2.4 具体的处理结果

室温 25℃；大气压力 100kPa；功率P=10W；通电时间t=550s。

3 实验创新点

3.1 实验数据采集处理的创新点

利用酸碱浓度、量热计常数计算中和热值，可减少误差，并应用 origin 软件绘制工作曲线，使实验数据处理更加简单、精确。本实验稀 HCl 与稀 NaOH 溶液反应的过程反应放出的热量实际测量值为-55.23 kJ·mol-1(可以精确到小数点后三位)，而中和热的理论值为-57.3 kJ·mol-1。相对误差=(57.3-55.23)/55.23=3.74%。 该误差完在中学阶段做中和热测量实验的允许范围之内。

3.2 实验装置微型化、小型化

将现行高中课本中的烧杯改为小体积杜瓦瓶(体积缩小为原烧杯体积的1/4)，一方面体系保温隔热效果好，另一方面使实验向小型化和微型化设计方面发展，使氢氧化钠和盐酸的用量减少到原来的四分之一。减少试剂用量后的中和反应系统由于溶液体积大幅减少，搅拌效率更高，系统各处的温度更趋一致，对温度变化的监测更容易，温度数据也更准确。实践证明，该创新设计不但可以达到与常规实验相同的实验目的和效果，而且可以大幅减少试剂用量、不同程度地减少实验过程中产生的化学废弃物、节约后处理费用、减少污染、改善实验环境，因此，此举已经成为中学化学实验教学改革的一个重要发展趋势。

3.3 将手持技术引入并融教学设计

手持技术，又称传感技术。主要是由数据采集器、传感器、计算机等硬件设施以及配套的数据处理软件等构成。与传统的实验相比较，它能实时、快速、直观地显示中和反应在反应过程中的温度变化，并能根据实验结果较为准确地计算出中和热值。

3.4 本创新实验对课程教学的促进

实践证明，化学教学实验可以激发学生的化学实验兴趣，进而使之对化学产生兴趣，这是创设生动、活泼的化学教学情境的重要形式，而实验探究是转变学生学习方式和发展实验探究能力的重要途径，同时，化学实验还是落实“情感态度与价值观”目标的重要手段。通过本实验的创新改进，不仅可以锻炼学生不局限于课本内容的思维能力，而且对于进一步提高其动手能力，以及对中学教师提高对化学教学实验方法论功能、认识论功能以及教学论功能的认识都是有积极作用的。

[1] 吴子生，严 忠.物理化学实验指导书[M].长春：东北师范大学出版社，1995:40-44.

[2] 姚广伟，卜平宇.物理化学实验[M].北京：中国农业出版社，2003:64-68.

[3] 张新丽，胡小玲，苏克和.物理化学实验[M].北京：化学工业出版社，2008:24-26.

[4] 彭少方.物理化学实验[M]. 北京：高等教育出版社，1963：35-36.

(本文文献格式：郭思贝.高中化学实验创新设计—中和反应热的测定[J].山东化工,2017,46(11):157-159.)

Innovative Chemical Experiment of High School-The Neutralization Rreaction Heat Measurement

GuoSibei

(Linfen First Middle School in Shanxi Province,Linfen 041000,China)

Aiming at the shortcomings of the neutralization reaction heat measurement is put forward improved insulation device (using dewar bottle instead of a beaker), measuring method (with sensor technology to replace the thermometer) and data processing method (Origin drawing method) of experimental scheme, and the improved scheme is analyzed through experiment data. Confirmed the improved heating device heat effect is better, the experimental error of the measured value neutralization heat measurement experiment in permission scope, and closer to the theoretical value.

neutralization reaction heat;insulation device;measurement methods;data processing method;improved research

2017-04-10

郭思贝(2001—)，女，山西临汾人，高中生，研究方向为中学化学实验创新。

G642.423

B

1008-021X(2017)11-0157-03