吸热与放热反应实验简易装置的设计

2022-04-03刘艳芳王国勤杨丽君

化学教学 2022年3期

刘艳芳王国勤杨丽君

摘要：人教版高中化学教材中吸热反应实验产生的氨气和钡离子对环境有污染，为此对实验进行改进。用易得的透明PVC加厚手套作为反应容器，既可测定体系吸热或放热，也可将化学反应与除杂等相整合;温度传感器的使用能即时显示反应温度的变化;以手捏方式混合固体反应物，学生能直观感受反应体系温度的上升与下降;实验现象明显，有助于学生理解化学反应与能量变化。改进后的实验装置具有材料易得、操作简单、药品用量少、现象明显、趣味性强等特点。

关键词：吸热反应; 放热反应; 温度传感器; 装置改进

文章编号： 1005-6629（2022）03-0062-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

人教版高中化學教材中吸热与放热反应的实验对培养学生的化学反应与能量意识有重要作用。教材中的放热实验，是将镁条与盐酸放入试管中反应，利用温度计监测反应温度的变化。实验器材易得，操作简单，温度上升明显;教材中的吸热实验，将20g Ba（OH）2·8H2O与10g NH4Cl放入敞口的烧杯中，烧杯放在滴有水的木片上，用玻璃棒搅拌，闻到气味后用玻璃片盖住烧杯，通过观察烧杯底部小木片不掉落得知反应为吸热反应。该实验方案也具有简单易操作，器材易得等特点。然而，这两个实验均存在以下不足：（1）吸热反应与放热反应分开进行，实验耗时增加，且不利于同时对比吸热与放热现象;（2）作为演示实验，学生除了观察温度计读数的变化外，没有直观感受温度上升与下降的体验;（3）实验完成后重金属钡离子直接排放，没有进行处理;（4）反应产生的有刺激性气味的氨气污染教学环境，且没有对氨气进行检验;（5）吸热反应能否使烧杯与木片间的水凝结成冰易受室温的影响，如果室温较高，实验结果难以实现;（6）吸热实验为了使烧杯与木片间的水凝结成冰，药品用量一般较多，造成很大浪费和实验污染。鉴于教材中的实验方法存在诸多不足，本研究利用数字化实验技术、透明PVC加厚手套设计吸热反应和放热反应的简易实验装置，用手捏方式混合固体反应物感知温度的升与降，也可运用手持技术监测反应过程中温度的变化。反应完成之后直接用酸吸收处理氨气和重金属钡离子。整个实验过程操作简单、绿色环保、现象直观、趣味性强、学生参与度高，既可作为教师演示实验，也能作为学生分组实验，有较好的教学效果。

2 实验改进现状分析

为了解吸热和放热反应实验研究的进展与现状，查阅了大量的相关资料。发现文献中对吸热反应实验进行改进的研究较多。除了研究Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的代用品及药品用量外[1，2]，主要集中在以下几个方面：一是对氨气的处理，以解决环境污染问题;二是对测温方法的改进，以使温度的数字变化的可观察性更好[3～5];三是对实验装置的改进，包括反应容器、搅拌装置等，且增加了实验的趣味性[6]。

以上几种改进方案实验现象虽较明显，但药品用量、环保性、数字化、趣味性等方面仍存在较大差异和不足。

综上所述，很有必要对吸热和放热反应实验再作研究，以寻求一个更理想的实验方案：能将吸热与放热反应作对比，减少药品用量，使搅拌变得充分且轻松有趣，能通过触摸感知放热与吸热，能解决氨气与重金属钡离子的污染问题，还能运用数字化技术，使温度变化一目了然，让学生轻松参与到化学反应的实验中来。

3 吸热与放热反应实验简易装置的新设计

3.1 实验试剂的选择

通过文献检索，选择了文献中效果较好的NH4HCO3、 NaHCO3分别和HCl、 CH3COOH、 H2SO4反应[7，8]，将其与Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反应进行对比，探究反应引起的温度变化。实验结果如表1所示。实验1～7控制NaHCO3、 Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物质的量为0.1mol，保持液体反应物体积为10mL。实验8～11控制Ba（OH）2·8H2O和NH4HCO3的物质的量为0.01mol，保持液体反应物体积为3mL。

由表1实验1～7得知，温度变化最大的是Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反应，温度降低38.7℃，体系最终温度-15.2℃。其次是NH4HCO3与HCl、 CH3COOH、 H2SO4反应，温度可以降低约17℃左右。NaHCO3与HCl反应，温度可以降低约13℃左右。实验8～11表明，药品用量降低到原来的1/10时，NH4HCO3与酸反应使体系的温度降低值达到了10℃左右，但Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反应使体系的温度降低值是NH4HCO3与酸反应的两倍，降低了26℃。

基于以上实验结果，考虑到并非所有的学校都配置有温度传感器，故改进实验采用药品用量少但降温效果明显的Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反应，让学生用手触摸去直观感知化学反应引起的温度变化，体现化学的趣味性。反应后对重金属钡离子可用装置中的稀硫酸除去，体现了环保性。另外，实验中0.01mol NH4HCO3与HCl、 CH3COOH的反应降温达到了10℃以上，是人体感官能感受到的温度变化，因此NH4HCO3与HCl、 CH3COOH的反应也可替代Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应。

3.2 实验仪器及试剂

实验仪器： Vernier数据采集器、计算机（安装Logger Pro软件）、Vernier不锈钢温度传感器、电子天平、透明PVC加厚手套、铁架台（带铁夹）、胶头滴管、量筒（10mL）、四条细绳、大试管（30mm×200mm）、纸槽、透明胶带

试剂： Ba（OH）2·8H2O固体、NH4Cl固体、2.0mol/L H2SO4、镁条、酚酞试剂

3.3 实验步骤

（1）取透明PVC加厚手套一只，将手套的1号和3号手指放入两只相同高度的试管中，便于装入药品。

（2）在1号手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，3号手指中装入碾磨好的3.0g Ba（OH）2·8H2O固体。

（3）把手套拿出，用细绳将1号和3号手指捆好后，再将手套的1～4号手指放入四只相同高度的试管中，在1号手指中加入两条长5mm的镁条，在2号手指中加入2.0mol/L H2SO4 5.0mL，在3号手指中加入碾磨好的1.0g NH4Cl固体，将浸有酚酞试剂的小花形滤纸用透明胶带粘贴到4号手指上方，拿出手套（见图1）。

（4）将两支不锈钢温度传感器放入1号和3号手指，将手套口用透明胶带密封后粘贴到不锈钢温度传感器上，打开Vernier Logger Pro软件，设置好参数后点击采集按钮。

（5）同时解开1号和3号手指上的捆绳，上移透明胶带至传感器手柄，使不锈钢温度传感器接触反应物，以手捏方式混合3号手指中的药品，使其开始反应。待反应结束点击结束按钮，停止采集数据。

（6）用手触摸1号和3号手指的温度变化，并与2号手指的温度作对比。观察小花的颜色变化。反应结束后，下移透明胶带，使温度传感器在掌心处，将1号和2号手指中的溶液倒入3号手指中，以吸收氨气和处理钡离子。取下手套，用透明胶带粘贴好手套口，反应结束。实验装置如图1所示。

3.4 实验现象

1号手指中有气泡产生，温度升高约39℃，该反应为放热反应，温度变化如图2（上方线）所示。反应的化学方程式为Mg+H2SO4MgSO4+H2↑。

3号手指中的固体变为糊状，温度降低约34℃，该反应为吸热反应，温度变化曲线如图2（下方线）所示。反应的化学方程式为

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O。

4号手指上方的小花变为红色，说明反应有氨气生成。

1号手指中产生的氢气和3号手指中产生的氨气使手套略微鼓起。

将1号和2号手指中的溶液倒入3号手指后，有白色沉淀生成，且温度升高。反应的方程式为2NH3+H2SO4（NH4）2SO4，Ba2++SO2-4BaSO4↓。

查阅2003年版兰氏化学手册部分物质的标准摩尔生成焓数值，计算反应Ba2+（aq）+SO2-4（aq）BaSO4（s）的焓变： ΔH=-1473.19kJ/mol-（-537.64kJ/mol）-（-909.34kJ/mol）=-26.21kJ/mol，该反应为放热反应，因此混合后溶液温度会升高。

3.5 实验注意事项