熱像儀在化學實驗中的應用 -以分子間作用力的比較實驗為例

熱像儀在化學實驗中的應用——分子間作用力的比較李鼎江薇（武漢大學附屬中學）一、使用教材（一）教材分析本節(jié)課選自人教版第二章第三節(jié)《分子結構與物質性質》，教材主要介紹分子的極性、分子間的作用力以及分子的手性三方面的內容。分子間作用力是物質的熔沸點、溶解度等性質，該節(jié)內容充分體現(xiàn)物質微觀結構與化學性質之間的關系。學生在此之前已經學習了共價鍵、離子鍵等微粒間的相互作用知識，本節(jié)課通過學習分子間作用力完善微粒間相互作用的知識。同時本節(jié)課內容也為后面學習不同類型晶體熔沸點的比較內容做鋪墊。（二）課標分析普通高中化學課程標準（2017年版）對本節(jié)課的要求是：認識分子間存在相互作用，知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力。同時課程標準中也給出了學習活動建議：借助物質熔、沸點變化與范德華力的關系探究影響范德華力的因素；研究氫鍵對物質性質的影響。二、實驗器材表1實驗儀器及藥品實驗儀器Flirone紅外熱像儀智能手機50mL燒杯實驗藥品甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇圖1紅外熱像儀三、實驗創(chuàng)新要點（1）將分子間作用力這一抽象的不可測的概念轉化為可測量的、學生可以通過數據和圖像感知的溫度變化，降低教學內容的抽象性；將分子間作用力與物質的熔沸點（揮發(fā)時溫度的變化）建立聯(lián)系，幫助學生建立微觀結構與宏觀性質之間的關系。（2）借助熱像儀測溫，設計簡單易操作的探究實驗，直觀、準確地將微觀的分子間作用力的存在以及影響范德華力的因素逐一呈現(xiàn)，并結合實驗設置層層推進的問題鏈，有效的推進教學。（3）將熱像儀應用于化學實驗教學中，特別能夠同時測量出一片或一個區(qū)域內各點的溫度變化，操作簡單快捷。四、實驗原理分子間作用力是一種微粒間的作用力，對物質的結構及其性質產生影響。分子間作用力與物質熔沸點的知識結構如圖2所示。對于由分子構成的物質，分子間存在相互作用力，主要分為范德華力和氫鍵。一般情況，結構相似的物質，相對分子質量越大，范德華力越大;相對分子質量相同的物質分子的極性越大，范德華力也越大。分子間作用力越大，物質的熔沸點就越高。分子間若形成氫鍵，分子間作用力變大，物質熔沸點升高。液體揮發(fā)時由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，分子間距離增大，克服了分子間作用力，吸收熱量。分子間作用力越大，液體揮發(fā)的速度越慢，液體溫度降低量的越小。圖2知識結構圖紅外熱像儀是一種利用紅外熱成像技術，通過對標物的紅外輻射探測，并加以信號處理、光電轉換等手段進行精確的量化，將標的物的溫度分布的圖像轉換成可見的熱圖像的設備。熱圖像（如圖3）的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況圖3紅外熱像儀拍照后顯示的熱圖像本實驗利用熱像儀測定不同有機物揮發(fā)時溫度的變化，幫助學生科學建構“分子間作用力”概念。五、實驗教學目標教學目標（1）通過醇類物質揮發(fā)的實驗，理解物質熔、沸點變化與分子間作用力的關系，并探究影響范德華力的因素。（2）利用熱像儀熱成像原理，將微觀發(fā)生的反應可視化，引導學生從宏觀辨識現(xiàn)象，微觀探究分析本質，提升宏觀辨識與微觀探析化學學科素養(yǎng)。（3）通過多組實驗結果的分析，建立并逐步完善熔沸點比較的模型，發(fā)展證據推理與模型認知等素養(yǎng)。評價目標（1）通過對實驗結果的分析與解釋，診斷并發(fā)展學生物質性質與微觀結構之間關系認識水平（物質水平、微粒水平）。（2）利用數字化實驗儀器對分子間作用力大小比較，發(fā)展學生實驗探究水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。（3）通過建立物質熔沸點比較的模型，發(fā)展學生認識思路的結構化水平。（視角水平、內涵水平）。六、實驗教學內容（1）分子間作用力與物質熔沸點取10mL乙醇于50mL燒杯中，用熱像儀對燒杯進行熱成像拍照，分析燒杯內液體溫度的變化以及燒杯內各區(qū)域溫度的分布情況。（2）影響范德華力的因素①相對分子質量分別取10mL甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇于4個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較4個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。②分子極性分別取10mL正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇于4個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較4個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。（3）氫鍵對熔沸點的影響分別取10mL正丁醇、乙醚于2個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較2個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。

七、實驗教學過程教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動教學評一體化導入新課【導入新課】今天老師給大家展示一個神秘的相機，它不僅可以拍照，還可以在拍照同時，顯示出圖片中個位置的溫度，我們一起來看看?！狙菔緦嶒?】取10mL乙醇于50mL燒杯中，用熱像儀對燒杯進行熱成像拍照，分析燒杯內液體溫度的變化以及燒杯內各區(qū)域溫度的分布情況。【提問】由該實驗你可以得出什么結論呢？1.觀察實驗現(xiàn)象燒杯內液體的溫度降低，燒杯內液面上方有蒸汽，且溫度比液體溫度低。2.微觀解釋實驗現(xiàn)象液體揮發(fā)過程中，分子間間距增大，克服分子間的相互作用力，液體溫度降低。3.建立相關模型4.符號表征C2H5OH(l)C2H5OH(g)△H＜0【回答】由分子構成的物質，物質的熔沸點與分子間作用力大小有關，分子間作用力越大，物質熔沸點越高。通過對乙醇揮發(fā)時溫度的變化實驗的分析，建立分子間作用力于物質熔沸點之間的關系。通過對實驗結果的分析與解釋，診斷并發(fā)展學生物質性質與微觀結構之間關系認識水平（物質水平、微粒水平）。探索新知【過渡】分子間作用力影響物質的熔沸點？如何比較物質分子間作用力的大??？分子間作用力受哪些因素的影響？【設問】根據所提供的藥品，設計實驗證明?！驹O問】根據該實驗結果討論影響范德華力的因素是什么？【過渡】對于相對分子質量相同的物質（如同有機物的同分異構體），熔沸點是否相同？【設問】根據所提供的藥品，設計實驗證明。【設問】根據該實驗結果討論影響范德華力的因素是什么？【學生實驗1】分別取10mL甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇于4個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較4個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。1.觀察實驗現(xiàn)象經過相同時間，燒杯內液體的溫度由正丁醇、正丙醇、乙醇、甲醇逐漸降低，且燒杯內液面上方蒸汽逐漸增多。2.微觀解釋實驗現(xiàn)象經過相同時間，甲醇溫度降低的最多，揮發(fā)速率最大，克服分子間作用力最小，因此甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇分子間作用力逐漸增大。3.完善相關模型【學生實驗2】分別取10mL正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇于4個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較4個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。1.觀察實驗現(xiàn)象經過相同時間，燒杯內液體的溫度由正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇逐漸降低，且燒杯內液面上方蒸汽逐漸增多。2.微觀解釋實驗現(xiàn)象經過相同時間，叔丁醇溫度降低的最多，揮發(fā)速率最大，克服分子間作用力最小，因此叔丁醇、異丁醇、仲丁醇、正丁醇分子間作用力逐漸增大。3.完善相關模型利用數字化實驗儀器對分子間作用力大小比較，發(fā)展學生實驗探究水平（孤立水平、系統(tǒng)水平）。通過建立物質熔沸點比較的模型，發(fā)展學生認識思路的結構化水平。（視角水平、內涵水平）。探索新知【過渡】對于正丁醇和乙醚官能團異構的，它們分子間作用力哪個大一些呢？【設問】設計實驗證明你的結論。【講述】分子間氫鍵以及分子內氫鍵【學生實驗3】分別取10mL正丁醇、乙醚于2個50mL小燒杯中，用熱像儀對燒杯同時進行熱成像拍照，比較2個燒杯內液體溫度的情況以及燒杯內蒸汽分布情況。1.觀察實驗現(xiàn)象經過相同時間，燒杯內液體的溫度由乙醚較正丁醇溫度降低較多，且燒杯內液面上方蒸汽也比正丁醇多。2.微觀解釋實驗現(xiàn)象經過相同時間，乙醚溫度降低的多，揮發(fā)速率大，克服分子間作用力最小，因此乙醚的分子間作用力小于正丁醇。3.完善相關模型通過多組實驗結果的分析，建立并逐步完善熔沸點比較的模型，發(fā)展證據推理與模型認知等素養(yǎng)。八、實驗效果評價（1）實驗設計的創(chuàng)新化，在本節(jié)課的實驗教學中，將紅外熱像儀引入化學實驗中，使實驗操作方便、簡單、快捷。直觀、準確且動態(tài)地將分子間作用力這一抽象的概念轉化為可測量的溫度變化，使微觀變化可視化。整個過程中，學生利用儀器表征出的圖像信息，宏觀比較物質熔沸點，微觀用分子間作用力分析，最終用符號表征，實驗四重表征。將分子間作用力與物質的熔沸點（揮發(fā)時溫度的變化）建立聯(lián)系，幫助學生建立微觀結構與宏觀性質之間的關系。學生建構并不斷完善分子間作用力與物質熔沸點判斷的模型，將知識結構化。（2）借助熱像儀測溫，設計簡單易操作的探究實驗，直觀、準確地將微觀的分子