可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽溶解過(guò)程熱效應(yīng)的比較 論文

可溶性碳酸鹽與碳酸溶解過(guò)程熱效應(yīng)的比摘要：利用手持技術(shù)探究可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽在水溶液中溶解過(guò)程的溫度變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論揭示物質(zhì)溶解過(guò)程產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象的原因，幫助學(xué)生建立科學(xué)的能量觀，增強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí)與創(chuàng)新能力，逐步形成化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，溶解，熱效應(yīng)一、問(wèn)題提人教版高中化學(xué)教材必修第一冊(cè)第二章第一節(jié)“碳酸鈉和碳酸氫鈉的化學(xué)性質(zhì)”的對(duì)比學(xué)習(xí)，其中實(shí)驗(yàn)2-4需要通過(guò)溫度計(jì)示數(shù)變化判斷碳酸鈉和碳酸氫鈉溶于水時(shí)量變化，這種變化其實(shí)并不容易觀察出來(lái)，尤其是變化不明顯的碳酸氫鈉。教師在教授該部分內(nèi)容時(shí)往往一帶而過(guò)，因?yàn)檫@并不是考試的重點(diǎn)，而且通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)溫度計(jì)示數(shù)變化或用手觸摸試管得出結(jié)論，也并不具有說(shuō)服力。如今科技水平不斷發(fā)展，教學(xué)愈來(lái)愈現(xiàn)代化，許多中學(xué)配備了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。隨著數(shù)字化儀器的出現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)迎來(lái)了變革，許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)得以更加直觀的呈現(xiàn)，提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主性。本研究通過(guò)采集的計(jì)算機(jī)上圖像數(shù)據(jù)的變化讓學(xué)生直觀感受物質(zhì)溶于水時(shí)的熱量變化，知道物質(zhì)溶解時(shí)的吸熱和放熱行為，并帶領(lǐng)學(xué)生從理論上分析物質(zhì)溶于水伴隨能量變化的原因。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受到化學(xué)與科技的緊密聯(lián)系，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，加深了對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解。二、實(shí)驗(yàn)研1．實(shí)驗(yàn)儀器和藥品實(shí)驗(yàn)藥品：碳酸鈉、碳酸氫鈉實(shí)驗(yàn)儀器：溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、大試管、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、托盤天平、鑰匙、稱量紙、量筒50mL2．實(shí)驗(yàn)裝置圖3．實(shí)驗(yàn)步驟（1）取一支潔凈的大試管，加入約30.0mL蒸餾水，將其固定在鐵架臺(tái)上，將溫度傳感器插入蒸餾水中；（2）用托盤天平稱取約2g碳酸鈉固體，打開(kāi)計(jì)算機(jī)軟SWRiLabv8.0，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕將稱量好的碳酸鈉加入試管，采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間30s，間隔100ms；（3）重復(fù)上述步驟采集碳酸氫鈉的有關(guān)數(shù)據(jù)。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2碳酸鈉溶解過(guò)程的熱效應(yīng)圖3碳酸氫鈉溶解過(guò)程的熱效應(yīng)筆者是在陽(yáng)歷1月份做的實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)溫度較低，溶解效果不十分明顯，但根據(jù)上圖的曲線變化，我們?nèi)阅艿贸鼋Y(jié)論：碳酸鈉溶于水放熱，碳酸氫鈉溶于水吸熱。通過(guò)對(duì)比學(xué)習(xí)，學(xué)生能更好地掌握碳酸鈉與碳酸氫鈉性質(zhì)上的異同點(diǎn)，而類比推理也是學(xué)習(xí)化學(xué)的一種常用思維方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們可以進(jìn)行大膽的合理的推測(cè)——所有可溶性碳酸鹽溶于水都放熱，碳酸氫鹽溶于水都吸熱。接下來(lái)和學(xué)生一起通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們的猜想。分別選用藥品碳酸鉀、碳酸氫鉀、碳酸銨、碳酸氫銨重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，得到以下圖像。將圖像中曲線所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽溶解過(guò)程的溫度變化情況。5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論①碳酸鈉溶于水放熱，碳酸氫鈉溶于水吸熱；②碳酸鉀溶于水放熱，碳酸氫鉀溶于水吸熱；③碳酸銨與碳酸氫銨溶于水都吸熱。也就是說(shuō)，我們的猜想不正確，學(xué)生可能會(huì)失望會(huì)沮喪，此時(shí)教師需要適時(shí)引導(dǎo)，讓學(xué)生明白猜想不正確不代表實(shí)驗(yàn)失敗，這是另一種成功，教師接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考物質(zhì)溶于水為什么會(huì)伴隨熱量的變化，為什么有的物質(zhì)溶于水會(huì)放熱，有的會(huì)吸熱。三、理論分1．溶解過(guò)程初中教材指出：蔗糖放進(jìn)水中后，很快就“消失”了，這是因?yàn)檎崽潜砻娴姆肿釉谒肿拥淖饔孟?，逐步向水里擴(kuò)散，最終蔗糖分子均一地分散在水分子中間，形成一種混合物——蔗糖溶液。像這樣一種或幾種物質(zhì)分散到另一種物質(zhì)里形成均一、穩(wěn)定的混合物的過(guò)程，叫做溶解。學(xué)生已初步認(rèn)識(shí)什么是溶解，但溶解過(guò)程為什么會(huì)伴隨熱量的變化，這就需要知道溶解過(guò)程的微觀本質(zhì)。教師在教授人教版必修第一冊(cè)第一章第二節(jié)電解質(zhì)的電離這部分內(nèi)容時(shí)，NaCl的溶解過(guò)程，但對(duì)于能量變化方面沒(méi)這時(shí)可在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充。NaCl晶體溶于水，Na與Cl在水分子的作用下形成了水合鈉離子與水合氯離子，水合過(guò)程釋放能量，形成的水合鈉離子與水合氯離子脫離NaCl晶體，擴(kuò)散到水中，此過(guò)程吸收能量。從溶解過(guò)程的本質(zhì)看，溶解是一種物質(zhì)（溶質(zhì)）分散在另一種物質(zhì)（溶劑）中形成溶液的過(guò)程，是復(fù)雜的“物理——化學(xué)過(guò)程”。整個(gè)溶解過(guò)程通常包括多方面作用，一方面是溶質(zhì)與溶劑間的作用（釋熱），另一方面是拆開(kāi)原先溶質(zhì)微粒間作用（吸熱）或溶劑微粒間作用（吸熱）。發(fā)生溶解時(shí)，這些過(guò)程同時(shí)存在，溶解熱就是這些過(guò)程能量方面的代數(shù)和。因此在溶解過(guò)程中常常伴隨熱量、顏色和體積的改變。2．溶解熱如果要從理論上定量計(jì)算物質(zhì)的溶解熱則需要用到大學(xué)化學(xué)知識(shí)，對(duì)于那些對(duì)化學(xué)學(xué)科感興趣的學(xué)生，教師可以提供相關(guān)大學(xué)化學(xué)教材供他們查閱，倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)。這對(duì)他們今后參加化學(xué)競(jìng)賽，撰寫論文等都是大有裨益的。查閱大學(xué)化學(xué)教材，知道標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熱△Hθm是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位物質(zhì)的量的物質(zhì)（即1mol溶質(zhì)）溶于大量水中時(shí)的熱效應(yīng)，有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。筆者做實(shí)驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)溫度約9.2℃，近似看作標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。以NaCO為例，溶于水時(shí)溶于大量水理論上放出26.7kJ的熱量。同理，可求得其他物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾溶解熱。四、總結(jié)本研究從書(shū)本入手，利用手持技術(shù)將碳酸鈉與碳酸氫鈉溶解過(guò)程的熱量變化變得清晰、準(zhǔn)確、直觀，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)可視化。并通過(guò)類比推理，進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，從理論上對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出解釋，讓理論知識(shí)更具說(shuō)服力更有直觀性。有利于學(xué)生學(xué)習(xí)碳酸鈉碳酸氫鈉更多的異同性質(zhì)，掌握化學(xué)學(xué)習(xí)的一般方法，也很好的建立了化學(xué)變化中為選修四化學(xué)能與熱能部分的學(xué)習(xí)做好鋪墊。學(xué)生能夠從能量的角度觀察事物，認(rèn)識(shí)事物，感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，增強(qiáng)了探究意識(shí)與創(chuàng)新能力。參考文獻(xiàn)[1]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)必修1[M]北京：人民教育出版社2019年版，第36頁(yè)，第14頁(yè)。2]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)(九年級(jí)下冊(cè))[M].北京：人民教育出版社2012年版，第26-27頁(yè)。[3]嚴(yán)宣申：溶解過(guò)程的熱效應(yīng)[J].化學(xué)教育，2007，28(5)：59.4]南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院等.物理化學(xué)(第