吸热反应实验的再研究

张丽敏 刘金辉 李兴

摘要：针对高中化学教材中吸热反应实验存在的问题做了研究和改进。利用玻璃水槽、微型热敏温度计、备课仪和触控一体机等器材设计实验新装置，集搅拌、反应、检验、吸收及温度变化显示为一体，既能随时观察实验过程的温度变化，又可使温度变化的数字得以放大，增强了实验的可观察性。改进实验具有全封闭、试剂用量少、见效快、易观察等特点。

关键词：吸热反应; 实验装置改进; 一体化设计; 实验探究

文章编号：1005-6629（2020）09-0066-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 问题提出

吸热反应实验是高中化学教材[1]中的一个经典演示实验（如图1所示）。尽管教材的实验方案具有设计简单、器材易得、操作方便等特点，但因教材受到当时实验材料和社会条件的影响，所设计的实验方案已远远不能适应当今化学课堂教学的要求。笔者在课堂上如果按照教材的实验方案进行演示时，善于思考的学生会经常提出问题，归纳起来不外乎有以下几个方面：一是“八水合氢氧化钡跟氯化铵反应时生成的刺激性气味的气体是什么？能否通过实验来检验？用什么方法可将其消除还师生一个洁净的教学空间”;二是“烧杯与玻璃片（或三合板）粘接到一起不一定是由于反应降温结冰造成的，是不是烧杯底部与玻璃片（或三合板）之间的水分子表面张力在起作用”;三是“这个实验通过结冰的方法判断是否吸热反应过程较慢，有时受室内温度影响较大，难以实现，能否找到一个通过数字变化推知是吸热反应还是放热反应的实验”;四是“能否通过减少药品用量降低实验费用和减少实验污染”。根据学生提出的这些问题，我们对该实验进行了认真的研究和改进，利用玻璃水槽、平底试管、玻璃管、单孔橡胶塞、微型热敏温度计和备课仪等，成功设计了一套新的吸热反应实验演示装置。通过学生观察整个实验过程，使学生提出的问题迎刃而解，深受学生的欢迎，同时培养了学生的科学素养，提高了教学质量。

2 研究现状概述

为了全面了解“Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应时要吸收热量”实验研究现状与进展情况，以便借鉴前人经验，进一步更新实验研究理念，完善实验方案，利用业余时间查阅大量资料，得知广大化学教育工作者对该实验多有研究和改进，并相继在省级以上期刊发表相关研究论文十余篇。这些改进方案，尽管见解不一、效果有别、特点各异，但初心都是试图解决吸热反应实验存在的实际问题。通过研究、归纳和总结发现，这些发表的实验研究论文，除了研究Ba（OH）2·8H2O

代用品外，主要是研究解决反应生成氨气的污染问题和测量反应温度变化的方法问题。这些研究论文对教材中的实验方案虽有改进，但仍然存在不足：有的实验方法[2， 3]没有从根本上解决污染问题;有的实验方法[4]虽然利用热敏温度计测量温度，改进测温方法，但仍然没有解决氨气的污染问题;还有的实验方法[5， 6]虽然解决了氨气对环境的污染，并使用先进的红外测温仪测量温度变化，但其测温仪器造价较高，影响该实验方案在教学中推广;还有，测量反应温度变化时，无论是使用水银温度计、热敏温度计还是红外测温仪，数字变化的可观察性较差，学生意見较大，这一点也是上述实验方案中的共同弊端。综上所述，我们有必要对该吸热反应实验再作研究，进一步深化、完善设计方案，努力挖掘发现新材料、新器材，最终寻求一个较为理想的实验方案，使其既能解决氨气的污染、充分搅拌反应物问题，又能简单、准确地测出反应前后的温度变化，使全体学生对实验的数字变化情况能一目了然，努力增强学生的感性认识。

3 设计思想及方案

在改革与创新实验研究中，实验的设计思想决定实验设计的合理性。因此，实验设计在注重实验的绿色环保的同时，还要注重实验设计的科学性和实用性，努力从教学实际需要和实验的基本要求出发，构建一种新的实验设计理念。因此，设计吸热反应实验方案时，必须综合考虑以下几点：（1）检验氨气的方法。（2）通过减小反应物的用量、吸收氨气，达到减少氨气排放及其污染之目的。（3）由于反应物为固体物质，进行实验时，须通过搅拌使两种固体物质充分混合。（4）为了放大反应前后温度变化，要求测温装置简单并能准确、迅速测得温度，增强实验的可观察性。（5）实验须具备取材容易，制作简单，便于操作，重复性好，安全可靠、绿色环保等特点。

依据该设计思想，利用玻璃水槽、平底试管、微型热敏温度计、备课仪等设计了一个较为合理的实验方案。具体方法如下：（1）Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl两种物质的反应在水槽中间的平底试管内进行;（2）生成的氨气通过捆绑在玻璃管上的润湿的红色石蕊试纸来检验;（3）多余的氨气利用玻璃水槽内滴有酚酞试液的冷水进行吸收;（4）Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl两种物质的搅拌可通过玻璃管搅拌完成;（5）利用装在玻璃管内的微型热敏温度计探头测定反应前后反应器内的温度变化;（6）微型热敏温度计的数字变化，通过备课仪、触控一体机进行放大。

4 实验用品

微型热敏温度计（网售，9.9元/个，如图2所示）1个、鸿合备课仪（如图3所示，400元/台，型号：HZ-3700，深圳鸿合创新信息技术有限责任公司）1个、触控一体机、平底试管（3cm×10cm）1支、玻璃水槽1个、3号单孔橡胶塞1个、玻璃管1根、橡胶堵1个、无底透明可乐瓶1个Ba（OH）2·8H2O、 NH4Cl、冷水、蒸馏水、红色石蕊试纸、酚酞试液、玻璃胶

5 仪器加工

（1） 取1只废弃的可口可乐透明塑料瓶（或硬质矿泉水瓶），用剪刀将瓶底剪掉（如图4所示），做成钟罩。

（2） 取1根20cm长的玻璃管，从3号单孔橡胶塞插入后，将微型热敏温度计的探头穿入到玻璃管内，玻璃管的下端用橡胶堵塞住（如图5所示）。

（3） 取1只平底试管，用玻璃胶将其粘接到玻璃水槽的中央（如图6所示）。

6 实验装置

实验装置如图7所示，其中：

7 操作过程及其现象

（1） 按照图7连接装置，装好药品。

（2） 将备课仪与触控一体机USB插口用数据线连接好，并在触控一体机内安装备课仪软件。

（3） 打开备课仪的开关。

（4） 打开触控一体机内备课仪软件，学生可以立刻看到在触控一体机屏幕上显示的温度数字为15.2℃。

（5） 用右手按住钟罩的上部，顺时针或逆时针轻轻摇动钟罩，使安装橡胶堵的玻璃管下端慢慢搅拌药品的混合物，反应立即进行[Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O]。学生可观察到触控一体机上的温度数字逐渐减小。2min后温度数字变成了10.5℃（说明此反应是一个吸热反应）。随之润湿的红色石蕊试纸变蓝（说明产生的气体是氨气），玻璃水槽内的冷水逐渐变红（说明剩余的氨气被水吸收：NH3+H2ONH3·H2O）。

（6） 实验结束，待塑料钟罩内的氨气全部被玻璃水槽内的冷水吸收后，将废物倒在指定的废液桶内。

需要特别说明的是：

（1） 在整个实验过程中，钟罩的底部不要离开槽内水的液面，防止氨气逸出污染室内空气。

（2） 玻璃管既起到搅拌药品的作用，又可以起到保护微型热敏温度计探头的作用。

（3） 反应结束后，让玻璃水槽内的冷水将反应生成的氨气全部吸收（利用氨气在冷水中溶解度较大的原理）再进行反应装置拆卸，以防氨气逸出造成空气污染。

（4） 玻璃管下端塞上橡胶堵的目的，一是防止药品进入玻璃管腐蚀微型热敏温度计探头，二是防止生成的氨气通过玻璃管外逸污染教室环境。

（5） 有目的地减少药品用量，节约了有毒且昂贵的氢氧化钡晶体。

8 結语

利用微型热敏温度计、平底试管、透明塑料钟罩、备课仪等器材设计的吸热反应实验装置，简单、实用、价廉，不仅解决了生成物氨气的污染问题，而且还可以使反应物充分搅拌、充分反应从而达到最佳实验效果。此外，现代科技产品微型热敏温度计、备课仪、触控一体机的使用以及它们之间的巧妙结合，既可以测定反应的温度变化，又可有效放大实验数据字体，避免单独使用水银温度计、热敏温度计或红外测温仪等测温仪器可观察性差的不足，使学生可随时观察温度变化情况，增强了学生对实验可观察性。通过对该实验装置的改进、完善和应用，不仅解决了演示吸热反应实验时学生提出的各种问题，而且还可以潜移默化地培养学生的环保意识和创新精神，激发他们的学习兴趣，进一步提高了化学教学质量。

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室编著. 全日制普通高级中学教科书（必修）·化学（第一册）[M]. 北京：人民教育出版社， 2003：19.

[2]李静雯. 八水合氢氧化钡与氯化铵吸热反应实验改进[J]. 教学仪器与实验， 2014， （9）：35.

[3]蒯世定， 刘怀乐. 关于吸热反应实验的研究[J]. 化学教学， 2002， （5）：12.

[4]张春侠， 赵研. 吸热反应实验的环保改进[J]. 教学仪器与实验， 2009， （3）：23.

[5]齐俊林. 吸热反应实验装置的创新设计[J]. 教育与装备研究， 2018， （7）：77～79.

[6]梁胜金. 吸热反应实验的新设计[J]. 化学教学， 2018， （11）：80～81， 89.