常见物质溶解过程温度变化的实验探究

孙影 信欣 许敏

摘要： 以物质溶解过程中能量变化为依据，利用温度传感器探究多种常见物质在水溶液中溶解过程的温度变化。通过量热实验，结合水合离子的生成焓的理论数据，揭示物质溶解过程中吸热和放热现象的本质来自水合過程的差异。量热实验得到的溶解热的实验值与根据水合离子的生成焓计算得到溶解热的理论值基本符合。溶解热绝对值的实验值要比理论值偏低（10±2）%。旨在帮助学生建立科学的物质变化观和能量观，逐步形成化学学科核心素养。

关键词： 数字化实验； 溶解过程； 温度变化； 溶解热

文章编号： 10056629（2018）2007504中图分类号： G633.8文献标识码： B

1问题的提出

物质溶解过程中的吸热和放热现象见诸于人教版九年级2012年版《化学》教材下册第九单元课题一，其中“物质的溶解过程”是许多学者关注的内容，如田长明（2016）从初中化学教材“溶解过程”示意图入手，对钠离子、氯离子结合水分子数及钠离子和氯离子与水分子的作用进行了研究[1]；严宣申教授（2007）就溶解过程的热效应从理论上进行过详细讲解[2]；还有其他大量文献详细研究了物质的沉淀溶解平衡、溶解度等有关概念，但其中结合课本探究实验对溶解过程中温度变化的研究较少。由于实际教学中该实验使用的是传统酒精温度计，分度值较大会造成较大实验误差。部分教师在课上会总结得出NaCl溶于水温度不变的结论，这就容易给学生造成错误认识，不利于后续知识的学习。

本研究采用不锈钢温度传感器，以提高实验精确度，增加物质种类可以积累更多感性认识素材，有利于学生从实验事实中总结归纳，得出一般结论。本文在实验的基础上从宏观、微观、符号、曲线四重表征视角详细分析溶解过程，结合热力学相关知识计算物质溶解热的文献参考值和实验值，从定量角度帮助师生全面理解物质溶解过程，建立科学认识。

2实验研究

2.1实验设计

溶解过程的能量变化通过热量表现出来，温度计能够直观反映体系热量变化的情况。本次实验使用不锈钢温度传感器，通过曲线变化，直观感受物质溶解时的吸、放热行为。

2.2实验用品

实验试剂： 去离子水、氢氧化钠（AR）、氯化钠（AR）、氯化钾（AR）、氯化铵（AR）

实验仪器： 电脑、数据采集器、提存能手软件（Logger Pro）、不锈钢温度传感器（型号TMBBTA，量程-25～150℃）、磁力搅拌器、磁子、聚四氟乙烯反应釜（100mL，带盖）、50mL移液管、电子天平

2.3试剂用量

溶解热是以1mol溶质溶于大量溶剂（通常是水）的焓变为准，对于A+B-型化合物，溶质和溶剂的物质的量之比为1∶500时溶剂即为大量溶剂，可忽略溶剂量对焓变的影响[3]，故本实验中称取水5mol（90.00mL），溶质0.0100mol（见表1）。

2.4实验过程

（1） 实验处于室温环境，当时室内温度在20.20℃。

（2） 按照所提供的实验药品，计算0.0100mol物质所对应的质量，然后用电子天平依次称量。

（3） 由于本实验对反应容器的绝热性能有较高的要求，故本次实验采用带盖聚四氟乙烯反应釜进行实验。将100mL反应釜置于磁力搅拌器上。

（4） 提前准备好蒸馏水保存在大容器内，放置1天达到室温，备用。

（5） 连接实验装置（见图1）。用移液管量取90.00mL室温下的蒸馏水注入聚四氟乙烯反应釜中，放入磁子，打开磁力搅拌器。

（6） 开始采集数据，数据采集持续100秒，第一组实验作为空白对照。

（7） 数据采集结束后，重新加入90.00mL蒸馏水，并把0.400g（即0.0100mol）的NaOH缓慢加入聚四氟乙烯反应釜中，盖上盖子，数据采集持续100秒。

（8） 数据采集结束后清洗反应釜，重新加入90.00mL蒸馏水，按照表1试剂质量和顺序更换下一种药品，重复步骤（7），直到所有药品采集结束。

（9） 保存数据。

（10） 清理仪器，回收药品。

3结果与分析

3.1实验结果记录

实验过程温度变化曲线如图2所示。

实验数据记录见表2，表内记录了每组实验开始T1（0s）和实验结束T2（100s）时的温度，其中ΔT0=T2-T1为实际温差，由于搅拌会对体系做功，导致体系温度略有上升，空白实验中蒸馏水经过搅拌温度升高了0.03℃。为矫正实验结果，这里的ΔT1是扣除搅拌影响后的实际温差，ΔT1=T2-T1-0.03。

从实验结果看，物质在溶解时几乎都伴随温度的变化，温差的正负和大小能够反映物质溶解过程的能量变化。NaCl溶解后温度降低0.09℃，溶解过程吸收少量热；NH4Cl、 KCl溶解过程降低0.35℃和0.42℃，溶解过程吸收较多的热；而NaOH溶解后温度升高了1.08℃，溶解过程释放了大量的热。

3.2理论分析

3.2.1溶解过程的四重表征分析

从宏微结合的角度看，人教版教材上对溶解过程如是描述：“蔗糖放进水中后，很快就‘消失了，这是因为这蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水里扩散，最终蔗糖分子均一地分散在水分子中间，形成一种混合物——蔗糖溶液。像这样一种或几种物质分散到另一种物质里，形成均一、稳定的混合物的过程，叫做溶解。[4]”这是对溶解过程的宏观描述和微观解析，也是学生能够基于生活经验对溶解过程作出的最初理解。

从实验曲线看，因为本次实验只是探究了溶解过程的温度变化，所以能够从曲线的上升和下降体会到溶解过程的吸热和放热行为。结合多组实验和教师讲解，学生会明白物质溶解时常常都会伴随温度的改变也就是能量的变化，这样对溶解过程又有了进一步的认识。随着认识的深入，学生自然会产生认知冲突： 溶解过程为什么会有温度变化，这就需要我们一起探寻溶解过程的微观本质。

从溶解过程的本质看，溶解是一种物质（溶质）分散在另一种物质（溶剂）中形成溶液的过程，是复杂的“物理化学过程”。整个溶解过程通常包括多方面作用，一方面是溶质与溶剂间的作用（释热），另一方面是拆开原先溶质微粒间作用（吸热）或溶剂微粒间作用（吸热）。发生溶解时，这些过程同时存在，溶解热就是这些过程能量方面的代数和[5]。因此在溶解过程中往往伴有热量、体积和颜色的改变。

以学生熟悉的氯化钠在水中溶解为例，当氯化钠晶体溶于水时，在水分子的作用下，外层钠离子和氯离子会被水分子包围发生水合过程，此过程释放能量，然后水合钠离子和水合氯离子会脱离氯化钠晶体，此过程吸收能量，最后水合离子会扩散到水中。由于整个过程吸收的热量大于放出的热量，所以氯化钠溶于水温度降低。其微观示意图如图3所示。通过查阅资料，我们发现由于分子力学和分子动力学的原因，不同分子或离子其周围包裹的水分子数是有规律的，如配位数是偶数时水合阳离子的结构较为合理。以钠离子和氯离子来说，Na+·4H2O或Na+·6H2O和[Cl（H2O）6]-较为稳定[6]。

用化学符号来表示溶解过程，以氯化钠的电离为例： NaClNa++Cl-，这是高中阶段需要掌握的电离方程式的书写，在初中阶段可以帮助学生理解溶解过程。

3.2.2溶解热和稀释热

将溶质B溶于溶剂A中或将溶剂A加入溶液中都会产生热效应，此种热效应除了与溶剂及溶质的性质和数量有关外，还与系统所处的温度及压力有关，这两种热效应通常又分为积分热效应和微分热效应。积分热效应是指将一定量的溶质溶于一定量的溶剂中所产生的热效应的总和，若是等压过程，这一热效应就等于该过程的焓变。微分溶解热是一个偏微分量，是指在溶液中加入dnA溶质时所产生的微量热效应[7]。

本研究主要讨论等压过程的积分热效应即焓变。首先利用热力学相关知识计算物质溶解时能量变化的文献参考值即标准摩尔溶解热，然后再通过实验中测得的温度变化量，计算实验值，进而得出本次实验的效率。

（1） 文献参考值

标准摩尔溶解热ΔsolHθm是在标准状态下，单位物质的量的物质（即1mol溶质）溶于大量水中时的热效应，通过查阅资料得到如表3[8]所示的数据。

本次实验过程保持一个大气压，常温状态，可以近似看成标准状态。以NaCl为例，NaCl（s）Na+（∞aq）+Cl-（∞aq）

由于： ΔsolHθm=ΣνiHθm（生成物）-ΣνiHθm（反应物）

故： ΔsolHθm[NaCl]=ΔfHθm[Na+（∞aq）]+ΔfHθm[Cl-（∞aq）]-ΔfHθm[NaCl（s）][9]

代入数据求得ΔsolHθm[NaCl]=3.874kJ·mol-1，以上计算可以得到1mol NaCl溶于大量水，理论上吸热3.874kJ。同理，可求得其他物质的标准摩尔生成焓，具体结果见表4。

（2） 实验值

根据公式ΔQ=cmΔt，可以利用物质溶解前后溶液的温度变化量来计算溶解热，如NaCl，实验中将0.0100mol即0.585g NaCl溶于90.00mL水中，在溶解时，Δt=-0.09℃表示溶解吸热，水的比热容c=4.2×103J·kg-1·℃-1，在以下的计算中溶液的比热用纯水的比热值来代替，因为相比绝热因素的影响来估计，其影响很小。代入公式计算得出ΔQ=0.034kJ。由此可以计算得0.0100mol NaCl溶于水将吸收热量ΔQs=（1.00mol/0.0100mol）×ΔQ=3.4kJ，这里定义ΔQs为物质溶于水之后体系吸收的热量（kJ/mol），后续数据中吸热ΔQs为正值，放热ΔQs为负值。对比标准摩尔溶解热3.874kJ，可得实验系统偏差约为12%。同理，可求得其他物质溶解热的实验值和系统偏差，具体结果见表4。这里的ΔsolHθm（kJ·mol-1）是根据表3数据计算得到的文献参考值。

由表4数据可得在溶解过程放热的场合（即NaOH），实验测得放出热量（-41kJ/mol）没有达到放出的全部热量（-44.505kJ/mol），另外约有3kJ/mol的热量散发到环境中。在溶解过程吸热的场合（即其他3个化合物），此时溶液温度低于环境，显然是因为从环境吸收了一部分热量，使得实验测得溶液的温度没有降低到应该达到的那么低，也就是ΔQs正值不够大。

以上对升温、降温的分析可知，本次实验仪器的绝热性能较差，使得温度升、降的绝对值达不到那么大，即温度该升高时升不高，该降低時降不低。实验出现系统偏差，即升温时溶液散发到环境的热量（或降温时从环境传递到溶液的热量）大约是过程放热（或吸热）总量的7%～12%。这提醒教师在对本节内容的授课过程中，对于测得温度变化不明显的物质应给予关注。

4总结

本研究更改传统实验中的酒精温度计和烧杯，采用聚四氟乙烯反应釜和精确度更高的温度传感器，目的是让学生通过温度曲线“看到”物质溶于水的温度变化，有助于日后建立正确的能量观。理论分析部分通过对原理的解释和计算得知，在中学实验的条件下，即使我们用精确度更高、绝热性能更好的仪器，实验的系统偏差都在总能量变化的7%～12%。由于实验条件的限制，从温度变化探究物质溶解过程的吸热、放热现象，难免有一定的误差，对于溶解过程本身能量改变较小的物质，很有可能造成溶解过程温度不变的误解，从而导致一些错误观念，广大教师在教学过程中特别要提醒学生注意。

物质变化观是中学生应该具备的化学基本观念之一，而化学变化的过程往往伴随能量的变化，能量观在物质变化中占有举足轻重的地位。本研究从学生常见的溶解现象入手，通过溶解过程的能量变化可以很好地启蒙学生建立正确的能量观，帮助学生从能量的视角观察、认识事物，感受实验过程，有利于逐步建立学科核心素养[10]。

参考文献：

[1][6]田长明.对初中化学教材一幅“溶解过程”示意图的研究与思考[J].化学教学， 2016，（8）： 23～26.

[2][3][5]严宣申.溶解过程的热效应[J].化学教育， 2007， 28（5）： 59.

[4]人民教育出版社，课程教材研究中心，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书·化学（九年级下册）[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 26～27.

[7][8][9]南京大学化学化工学院等.物理化学（第五版）（下册）[M].北京： 高等教育出版社， 2014.

[10]毕华林，万延岚.化学基本观念： 内涵分析与教学建构[J].课程·教材·教法， 2014， 34（4）： 76～83.