可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽溶解過程熱效應的比較 論文

可溶性碳酸鹽與碳酸溶解過程熱效應的比摘要：利用手持技術探究可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽在水溶液中溶解過程的溫度變化，通過實驗結論揭示物質溶解過程產生吸熱和放熱現(xiàn)象的原因，幫助學生建立科學的能量觀，增強學生的探究意識與創(chuàng)新能力，逐步形成化學學科核心素養(yǎng)。關鍵詞：數(shù)字化實驗，溶解，熱效應一、問題提人教版高中化學教材必修第一冊第二章第一節(jié)“碳酸鈉和碳酸氫鈉的化學性質”的對比學習，其中實驗2-4需要通過溫度計示數(shù)變化判斷碳酸鈉和碳酸氫鈉溶于水時量變化，這種變化其實并不容易觀察出來，尤其是變化不明顯的碳酸氫鈉。教師在教授該部分內容時往往一帶而過，因為這并不是考試的重點，而且通過傳統(tǒng)實驗溫度計示數(shù)變化或用手觸摸試管得出結論，也并不具有說服力。如今科技水平不斷發(fā)展，教學愈來愈現(xiàn)代化，許多中學配備了數(shù)字化實驗室。隨著數(shù)字化儀器的出現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗迎來了變革，許多化學實驗現(xiàn)象和數(shù)據得以更加直觀的呈現(xiàn)，提升了學生實驗的自主性。本研究通過采集的計算機上圖像數(shù)據的變化讓學生直觀感受物質溶于水時的熱量變化，知道物質溶解時的吸熱和放熱行為，并帶領學生從理論上分析物質溶于水伴隨能量變化的原因。學生在實驗中感受到化學與科技的緊密聯(lián)系，增強了學習化學的興趣，加深了對化學學科的理解。二、實驗研1．實驗儀器和藥品實驗藥品：碳酸鈉、碳酸氫鈉實驗儀器：溫度傳感器、數(shù)據采集器、計算機、大試管、鐵架臺（帶鐵夾）、托盤天平、鑰匙、稱量紙、量筒50mL2．實驗裝置圖3．實驗步驟（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，打開計算機軟SWRiLabv8.0，點擊開始按鈕將稱量好的碳酸鈉加入試管，采集數(shù)據，采集時間30s，間隔100ms；（3）重復上述步驟采集碳酸氫鈉的有關數(shù)據。4．實驗結果圖2碳酸鈉溶解過程的熱效應圖3碳酸氫鈉溶解過程的熱效應筆者是在陽歷1月份做的實驗，室內溫度較低，溶解效果不十分明顯，但根據上圖的曲線變化，我們仍能得出結論：碳酸鈉溶于水放熱，碳酸氫鈉溶于水吸熱。通過對比學習，學生能更好地掌握碳酸鈉與碳酸氫鈉性質上的異同點，而類比推理也是學習化學的一種常用思維方法，根據實驗結論，我們可以進行大膽的合理的推測——所有可溶性碳酸鹽溶于水都放熱，碳酸氫鹽溶于水都吸熱。接下來和學生一起通過實驗驗證我們的猜想。分別選用藥品碳酸鉀、碳酸氫鉀、碳酸銨、碳酸氫銨重復上述實驗操作，得到以下圖像。將圖像中曲線所呈現(xiàn)的實驗數(shù)據進行整理，得到可溶性碳酸鹽與碳酸氫鹽溶解過程的溫度變化情況。5．實驗結論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，我們的猜想不正確，學生可能會失望會沮喪，此時教師需要適時引導，讓學生明白猜想不正確不代表實驗失敗，這是另一種成功，教師接下來引導學生思考物質溶于水為什么會伴隨熱量的變化，為什么有的物質溶于水會放熱，有的會吸熱。三、理論分1．溶解過程初中教材指出：蔗糖放進水中后，很快就“消失”了，這是因為蔗糖表面的分子在水分子的作用下，逐步向水里擴散，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分散到另一種物質里形成均一、穩(wěn)定的混合物的過程，叫做溶解。學生已初步認識什么是溶解，但溶解過程為什么會伴隨熱量的變化，這就需要知道溶解過程的微觀本質。教師在教授人教版必修第一冊第一章第二節(jié)電解質的電離這部分內容時，NaCl的溶解過程，但對于能量變化方面沒這時可在此基礎上補充。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，擴散到水中，此過程吸收能量。從溶解過程的本質看，溶解是一種物質（溶質）分散在另一種物質（溶劑）中形成溶液的過程，是復雜的“物理——化學過程”。整個溶解過程通常包括多方面作用，一方面是溶質與溶劑間的作用（釋熱），另一方面是拆開原先溶質微粒間作用（吸熱）或溶劑微粒間作用（吸熱）。發(fā)生溶解時，這些過程同時存在，溶解熱就是這些過程能量方面的代數(shù)和。因此在溶解過程中常常伴隨熱量、顏色和體積的改變。2．溶解熱如果要從理論上定量計算物質的溶解熱則需要用到大學化學知識，對于那些對化學學科感興趣的學生，教師可以提供相關大學化學教材供他們查閱，倡導自主學習。這對他們今后參加化學競賽，撰寫論文等都是大有裨益的。查閱大學化學教材，知道標準摩爾溶解熱△Hθm是指在標準狀態(tài)下，單位物質的量的物質（即1mol溶質）溶于大量水中時的熱效應，有關熱力學數(shù)據見表2。筆者做實驗時，室內溫度約9.2℃，近似看作標準狀態(tài)。以NaCO為例，溶于水時溶于大量水理論上放出26.7kJ的熱量。同理，可求得其他物質的標準摩爾溶解熱。四、總結本研究從書本入手，利用手持技術將碳酸鈉與碳酸氫鈉溶解過程的熱量變化變得清晰、準確、直觀，使整個實驗可視化。并通過類比推理，進行進一步的實驗，從理論上對實驗現(xiàn)象做出解釋，讓理論知識更具說服力更有直觀性。有利于學生學習碳酸鈉碳酸氫鈉更多的異同性質，掌握化學學習的一般方法，也很好的建立了化學變化中為選修四化學能與熱能部分的學習做好鋪墊。學生能夠從能量的角度觀察事物，認識事物，感受實驗過程，培養(yǎng)了化學學科核心素養(yǎng)，增強了探究意識與創(chuàng)新能力。參考文獻[1]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·化學必修1[M]北京：人民教育出版社2019年版，第36頁，第14頁。2]人民教育出版社，課程教材研究中心，化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書·化學(九年級下冊)[M].北京：人民教育出版社2012年版，第26-27頁。[3]嚴宣申：溶解過程的熱效應[J].化學教育，2007，28(5)：59.4]南京大學化學化工學院等.物理化學(第