巧用数字化实验 深度解析高中化学概念

王海利

化学是一门以实验为基础的自然学科，实验探究是培养学生学科核心素养的最佳途径。分子间作用力和氢键是高中化学选修模块《物质结构与性质》中的重要概念，这些概念抽象难懂，教材缺乏对应的配套实验，导致师生的思维都处于逻辑分析与机械记忆中。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在学业要求部分提出：“认识分子间存在相互作用，知道范德华力和氢键是两种常见的分子间作用力，了解分子内氢键和分子间氢键在自然界中的广泛存在及重要作用。”在学习活动建议部分提出：“借助物质熔、沸点变化与范德华力的关系探究影响范德华力的因素。”在本章节中，分子间作用力和氢键的概念都是微观世界无法观察和直接量化的，加重了学生的认知难度。下面，笔者从生活中的常见现象引入，通过三个层层递进的实验设计环节，让学生直观感受分子间作用力和氢键的存在，帮助学生用化学思想认知化学物质和化学概念，使学生建立结构决定性质的化学思维方式，培养学生宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识等化学学科素养。

一、教学设计

环节一：生活体验，了解分子间作用力

创设情境：医生经常用酒精溶液消毒，现在请大家用蘸有酒精和水的棉花球分别擦拭手背，大家的感受有什么不一样呢？原因是什么？

分组实验：手背凉凉的，用酒精擦拭过的手背更凉，说明水和酒精有部分挥发了，而且酒精挥发得更快。

问题1：挥发前后，酒精分子有没有变化？如果没有变化，为什么会吸收能量？

师生分析：水和酒精在挥发过程中本身的分子没有发生变化，但手背变凉，吸收的能量肯定是克服某种作用力的，而且酒精挥发得更快，说明需要克服的作用力比水弱。

问题2：液体在挥发过程中需要克服某种作用力，这就是我们今天要讲的分子间作用力，分子间作用力分为哪些类型？它对物质的性质有哪些影响呢？

环节二：实验探究，感知分子间作用力

问题1：大家都知道乙醇、正丙醇和水以任意比例互溶，我们如果借助化学试剂想要使正丙醇和水互相分层，大家觉得可能吗？为什么呢？原理是什么呢？

演示实验：准备四个50ml的大试管，先依次加入5mL正丙醇、5mL水，振荡，使其充分混合均匀。再向其中三个试管分别加入过量的氯化钠、氯化铵和硫酸铵固体，充分振荡，使其溶解。最后用红色水彩笔加入颜料，振荡，摇匀。静置片刻，溶液明显分为两层，上层为红色的有机相，下层为基本无色的水相，其中硫酸铵的效果比氯化钠更好。

师：该实验是通过盐析从水相中分离有机相。图1是有机溶剂丙醇和水的互溶混合溶液，其中有机分子与水分子之间存在微弱的相互作用（如氢键、范德华力等分子间作用力）；图2是在丙醇和水的混合溶液中分别加入可溶性盐，可溶性盐电离出来的离子与水分子形成氢键，水合离子等破坏了丙醇和水之间的分子间作用力，使得混合溶液中有机溶剂与水相互分离。其中一个为富含丙醇的有机相，另一个为富含硫酸铵等盐类的富水相。实验结果显示，含有铵根离子的盐效果非常好。学生借助水彩笔颜料直观看到了分层现象（如图3所示），准确感受到了分子间作用力，知道了分子间作用力分为范德华力和氢键两种类型，也了解了分子间作用力对物质溶解性的影响。

环节三：数字实验，感受分子间作用力

提出问题：我们把普遍存在的分子间作用力称为范德华力，范德华力很弱，且没有方向性和饱和性。影响范德华力大小的因素主要为相对分子质量和分子极性。那么，这两种因素究竟是如何影响范德华力的呢？

演示实验：利用温度傳感器将抽象的化学分子间作用力用宏观的、可见的温度直观显示出来

实验步骤：1.分别用2ml的胶头滴管滴加甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇各一滴于传感器尖端的探针部分，滴加的同时点击开始按钮。将探针暴露在空气中进行挥发，当温度达到最小值且开始回升时停止采集数据，并截屏保存（如图4所示）。

2.分别用2ml的胶头滴管滴加正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇各一滴于传感器尖端的探针部分，滴加的同时点击开始按钮。将探针暴露在空气中进行挥发，当温度达到最小值且开始回升时，停止采集数据并截屏保存（如图5所示）。

学生总结：分子间作用力——范德华力的影响因素主要有以下几个。①甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇随着碳原子数的递增，相对分子质量逐渐增大，范德华力增强，分子间作用力逐渐增强，物质的沸点逐渐升高。甲醇的沸点最低，曲线下降最快；正丁醇的沸点最高。②正丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇相对分子质量相同，支链越多，分子间作用力越小，物质的沸点越低，叔丁醇的沸点最低，曲线下降最快，正丁醇的沸点最高。

提出问题：大家去公园，经常看到公园湖泊里面的水黾在水面上自由地跳动，将水踩出一个个漩涡。今天，让我们用曲别针模拟一下水黾，看看哪些曲别针可以悬浮在溶液上方。

师：我们发现水分子表面曲别针可以悬浮，但是在四氯化碳中根本悬浮不了。这是为什么呢？我们知道，水和四氯化碳都是由分子构成，四氯化碳相对分子质量远大于水分子，按照范德华力的影响因素，肯定是四氯化碳的分子间作用力比水更强，但这个实验中水分子间作用力为什么出现了反常呢。

生：肯定是水分子间存在除了范德华力之外的其他作用力。

师：我们一起分析一下，四氯化碳和水的结构，结构决定性质，四氯化碳是正四面体，高度对称，非极性分子。水是v型结构，极性分子。因此，水分子之间除了范德华力之外，应该还有一个其他作用力，这就是我们马上要检测的作用力——氢键。请大家仔细观察一下，我们滴下来的每滴水的体积和一滴四氯化碳完全不一样，同样体积的水和四氯化碳，滴完的滴数也不一样，相信大家学习了下面的氢键内容，自己就可以解释了。下面，让我们一起检测另一种分子间作用力——氢键。我们学习过的物质正丁醇和乙醚互为同分异构体，但是正丁醇中因为官能团羟基的存在，所以存在氢键作用，大家可以先预测一下它们的熔沸点高低顺序。

实验步骤：分别用2ml的胶头滴管滴加正丁醇、乙醚各一滴于传感器尖端的探针部分，滴加的同时点击开始按钮。将探针暴露在空气中进行挥发，当温度达到最小值且开始回升时停止采集数据，并截屏保存（如图6所示）。

学生总结：正丁醇、乙醚相对分子质量相同，正丁醇中由于氢键的存在，沸点最高；乙醚的沸点相对较低，曲线下降最快。

师生讨论：在有机同系物中，随着碳原子数的递增，相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增强，分子间作用力逐渐增大，物质熔沸点依次升高；对于同分异构体，相对分子质量相同，支链化越多，分子的极性越弱，分子间作用力越小，熔沸点越低。由于分子间氢键的存在，极大地提升了物质的熔沸点。

二、案例反思

1.利用真实情境引入，提高学生参与热情

在本课教学中，笔者利用“蘸有酒精和水的棉球分别擦拭手背”的真实情境引入，简单的分组实验，提高了学生的参与度。液体挥发时吸热，这一真实情境让学生明白了分子与分子间确实存在作用力；乙醇与水的吸热比较，为后续利用温度表现范德华力埋下了伏笔。通过实验探究，学生对物质性质与微观结构之间的关系有了深刻的认识。

2.巧用数字化手持技术，使抽象概念数据化

本课中，分子间作用力抽象又复杂，涉及微观世界的相互作用，笔者利用数字化传感器将抽象的概念用实验现象、图形、数据、曲线等具体化，使微观现象可视化，便于学生理解所学知识。教师将信息技术与日常教学相互融合，在一定程度上能够帮助学生自主构建知识体系，发展高阶思维，让学生在宏观中辨识现象、微观中探究分析本质，提升宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

3.科学探究是发现和解决问题的过程

在本课教学中，笔者以真实的化学问题情境为主线，通过四个环节层层深入的设计，将复杂抽象的概念教学转变为科学探究过程，帮助学生厘清知识，引导学生感触、感知、体会、理解分子间作用力——范德华力和氢键，感受科学研究的一般过程，基于证据提出假设，利用实验证实真伪，通过分析揭示本质，解决问题，发展证据推理与模型认知核心素养。

作者单位  西安市经开第一中学