初中化学溶解热及中和热实验装置改进

初中化学溶解热及中和热实验装置改进

在化学教学中，实验是培养学生核心素养的重要途径。本文针对初中化学中溶解热和中和热实验装置进行了创新性改进，引入数字化手持技术，实现了多种物质溶解或不同酸碱中和反应中温度变化的横向对比。该改进方案不仅提高了实验效果，还培养了学生的科学探究能力。

2022年4月，教育部颁布《义务教育化学课程标准(2022年版)》。作为建立在实验基础上的化学学科，实验是科学探究的重要载体，是提升学生核心素养的主要途径，新课标首次提出“认识实验是科学探究的重要形式和学习化学的重要途径”这一目标要求，要求教师重视实验教学，充分发挥实验在教学中的重要作用。教师不仅要积极开展课本实验，还要尝试改进教材实验，以期获得更好的实验效果。这样不仅有利于促进教师的专业化发展，更重要的是培养学生的创新意识。

学生首次接触物质的溶解与酸碱中和反应是在九年级下学期。通过先前的学习，学生们已经认识了化学实验中常用的仪器，初步掌握了基础的实验操作，并具有较强的实验探索兴趣。查阅各地市所用教材中有关“物质溶解”知识的内容，大部分都设置了物质溶解过程中温度的改变这一内容，其中有给出具体实验装置图的教材见表1。

教材及实际教学过程中，教师展示物质溶解时温度变化的装置多是由一组烧杯和温度计组成。由于温度计的刻度细小，造成学生不易读取实验数据，学生参与性较低，还容易发生打破温度计的实验事故。同时物质溶解过程中吸收或者放出的热量是很难用眼睛观测到的，实际教学中部分教师通过让学生用手触碰烧杯来感受温度的变化，这样的演示实验受众面小，教育效果不佳。同时仅凭感性无法判断温度变化的程度，更无法聚焦化学的定量思维培养，如某些物质溶解过程中温度变化比较轻微，容易让学生产生物质溶解时温度不变的错误概念[5]。实验过程中还需要用到玻璃棒搅拌，玻璃棒搅拌容易碰到杯壁或者杯底，造成实验误差。而科粤版教材所展示的数字传感器则为创新实验提供了一种新思路，手持技术操作简便，温度变化可视化，但若要展示多种物质溶解时的热量变化，无法同时进行对比实验，并且需要不断更换实验装置，使得操作繁琐，同时造成资源浪费。

各地市常用的教材中展示中和反应放热的装置(图1)多由烧杯和玻璃棒组成。教师在展示过程中先将氢氧化钠溶液加入到烧杯中，再加入酸碱指示剂，然后再加入稀盐酸溶液，同时不断用玻璃棒搅拌，加快混合速度，也使得反应更加充分。由于要向学生说明中和反应是放热反应，因此在滴加完稀盐酸溶液后还需要用温度计测量，由于温度计的显示需要一定时间，造成实验步骤太多。容易混乱、不易操作和实验时间过长等问题，使得实验效果不好。

图1 教材中展示中和反应放热的装置

通过查阅文献，发现有些中学教师针对溶解热和中和热实验装置进行了改进。马逸群[6]将装置中的温度计改成带有红色水柱的细玻璃管(图2)，使得反应现象更加明显，但仍处于定性分析的阶段；饶红梅[7]使用数显温度计增加了数据可见度，反映了两种物质溶解前后溶液温度的数值，增加了对比度，但无法直观展示物质溶解过程或中和反应中温度的变化。近年来，以手持技术为核心的创新实验也越来越多，任动[8]等人利用智能手机外接温度传感器测定中和反应的热效应(图3)，通过直观实时的测量手段，展示了化学反应中温度的变化，但无法同时展示多种物质溶解或不同酸碱中和反应时的温度变化。

图2 文献中改进装置一

图3 文献中改进装置二

基于对教材及文献中实验装置的梳理，笔者对实验装置进行了改进，融入数字化手持技术，实现多种物质溶解或不同酸碱中和反应中温度变化的横向对比。该实验装置既适合课堂演示也可设置为学生小组实验，能有效提高教学效果。

实验用品

仪器：联排磁力搅拌器、磁子、温度传感器、“L”形玻璃管、100 mL 烧杯、三孔橡胶塞、玻璃漏斗、50 mL 量筒、100 mL 量筒、电子天平、称量纸。

药品：0.55 mol/L 盐酸溶液、0.55 mol/L 硫酸溶液、0.55 mol/L NaOH溶液、NaOH固体、CaO固体、NH4NO3固体、NH4Cl固体。

实验改进装置

实验改进装置如图4所示，将3个 100 mL 烧杯置于联排磁力搅拌器表面，搅拌磁子置于烧杯底部，杯口部装有橡胶塞，橡胶塞共有三个小孔：1、2、3。温度传感器设在烧杯杯口胶塞的孔1处，并将感应端浸入烧杯；玻璃漏斗用于加入反应物质，通过孔2浸入烧杯；孔3处倒“L”形的玻璃管用于排出烧杯中物质反应过程中所产生的气体。所述的磁力搅拌器，可以是1至6多头。

1.温度传感器；2.漏斗；3.排气管；4.橡胶塞；5.液面；6.磁力转子；7.联排磁力搅拌器图4 改进后的实验装置

实验步骤

3.1 溶解热实验

实验时先将 100 mL 的蒸馏水分别添加到四个烧杯中，温度传感器设在烧杯杯口胶塞的孔1处，并将感应端浸入蒸馏水中，启动磁力搅拌器，连续搅拌 10 s，待温度值平稳后，将1克 NaOH，CaO，NH4NO3，NH4Cl经玻璃漏斗分别添加到四个烧杯中，观察并记录温度变化。通过以上的实验，借助温度传感器输出的数据可以清楚地看到溶解时溶液的温度的改变，以及不同物质溶解时温度的变化差异。

3.2 中和热实验

实验时先将 50 mL 0.55 mol/L 的盐酸和 50 mL 0.55 mol/L 的硫酸溶液分别加入到烧杯中，温度传感器设在烧杯杯口胶塞的孔1处，并将感应端浸入酸溶液中，启动磁力搅拌器，连续搅拌 10 s，待温度值平稳后，将 50 mL 0.55mol/L 氢氧化钠溶液通过玻璃漏斗缓慢地加入到两个烧杯中，观察并记录温度变化。通过以上的实验，借助温度传感器输出的数据可以清楚地观察到酸碱中和反应的温度变化，以及不同酸和碱发生中和反应时温度的变化差异。

实验改进方案的评价

4.1 装置简易，操作简便

该装置同时适用于探究溶解过程及中和反应的温度变化，也适用于其它液液体系反应热的探究，具有一定的普适性与可迁移性。且该装置是在常用仪器的基础上进行叠加，对于学生来说容易接受，实验装置搭建难度小，对实验操作者的实验操作水平要求不高，可设置为学生小组实验，培育学生科学探究的核心素养。其中，实验装置中的三孔橡胶塞增强实验体系的保温功能，减小实验误差；实验装置中的漏斗组可以同时且均匀地加入反应物；磁力搅拌器使溶解过程或酸碱中和反应进行地更加充分，防止手工搅拌力度不同而使结果有偏差，使实验结果更加准确[9]。

4.2 数据直观，便于对照

实验装置中引入的数字化手持技术携带方便，操作简便，测量准确，数据显示直观，可以实时记录和显示温度变化，并能有效地减少实验误差，缩短实验周期，初步发展学生对于溶解热与中和热的定量认识，以便更好地理解溶解热与中和热的相关概念和规律，同时也能使同学们体验到现代科技在化学实验中的运用，开阔眼界，提高创新能力。另外，联排磁力搅拌器的使用能够比较一组不同的反应或不同溶液中的温度的改变，课堂上学生可通过小组合作完成实验，培养其获取、分析、处理实验数据的技能，为培养学生的科学探究、证据推理等核心素养提供了良好的环境。

此次实验改进响应新课标中重视实验教学的要求，在教学中引入数字化手持技术，实验装置简易，实验操作难度低，温度变化可视，实验周期缩短，实现多种物质溶解或不同酸碱中和反应中热量变化的横向对比，兼具实用性与教育性。

本文原文来自知网