水溶液凝固點(diǎn)及沸點(diǎn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化改進(jìn)

嚴(yán)西平+錢(qián)蕙+孫馨+陳學(xué)東

摘要：初中教材中測(cè)定水溶液凝固溫度（凝固點(diǎn)）實(shí)驗(yàn)因觀察起始凝固溫度困難、數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大等弊端而備受爭(zhēng)議。運(yùn)用了溫度傳感技術(shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了水溶液沸騰溫度（沸點(diǎn)）測(cè)定的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性好，實(shí)驗(yàn)過(guò)程有利于學(xué)生觀察；結(jié)合特有的回放技術(shù)，可以提升探究教學(xué)的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：水溶液；凝固點(diǎn)及沸點(diǎn)測(cè)定；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）11–0078–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

舊版的滬教版初中教材[1]中水溶液凝固溫度的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以幫助初中生直觀地認(rèn)識(shí)溶液的性質(zhì)之一：“稀溶液的凝固溫度低于水的凝固溫度（0℃）”，實(shí)質(zhì)性地幫助理解“汽車(chē)水箱中加入防凍劑乙二醇和積雪路面撒鹽等應(yīng)用”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)曾存在多年，也是滬教版教材比較有特色的實(shí)驗(yàn)之一。但是因?yàn)楸}混合物的低溫會(huì)使燒杯和試管外壁凝聚冰霜從而影響到察覺(jué)試管中溶液何時(shí)結(jié)冰，而且因條件不易控制往往造成分組實(shí)驗(yàn)組間記錄差距較大，有些時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)“水、蔗糖水、食鹽水”三種液體凝固溫度相同或顛倒的情況；如果改為演示，僅少數(shù)學(xué)生能近距離觀察到現(xiàn)象和示數(shù)，不利于惠及全體學(xué)生?？赡苁沁@些爭(zhēng)議導(dǎo)致新版教材取消了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，只剩下上述結(jié)論[2]，造成教學(xué)機(jī)械化甚為可惜。

為了彌補(bǔ)這個(gè)缺憾，我們基于溫度傳感技術(shù)，開(kāi)發(fā)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，不僅能夠?qū)⑻綔y(cè)的溫度實(shí)時(shí)反映到投影屏幕上，使全體學(xué)生都能切實(shí)感受到溶液的溫度變化，而且測(cè)溫過(guò)程不受冰霜凝結(jié)和人為因素的干擾，測(cè)量精密度高、溫度曲線(xiàn)測(cè)定變化穩(wěn)定性好。運(yùn)用同樣的技術(shù)我們還開(kāi)發(fā)了測(cè)量水溶液沸騰溫度的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也能讓學(xué)生印證“稀溶液的沸騰溫度高于水的沸騰溫度（100℃）”[2]，容易理解“煮沸的湯比沸水的溫度高，更容易燙傷口唇”等事實(shí)，從而全面地認(rèn)識(shí)和把握溶液這一重要性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)原理和認(rèn)知

隨著外界溫度降低，水溶液的溫度也會(huì)隨之同步降低，但因溶液蒸氣壓比純水低的原因，當(dāng)溶液溫度降至0℃時(shí)，水并不會(huì)結(jié)冰，只有溫度降到某一數(shù)值（低于0℃）時(shí)，水才開(kāi)始結(jié)冰，這個(gè)過(guò)程會(huì)釋放出凝固熱，大大減緩了溶液溫度的持續(xù)下降，溫度曲線(xiàn)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，變?yōu)榫徛陆档内厔?shì)，那么這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是溶液凝固溫度（參見(jiàn)圖2，圖中t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度tf就是凝固溫度）；反之，當(dāng)水溶液溫度隨外界溫度上升到100℃時(shí)，同樣因?yàn)槿芤旱恼魵鈮盒∮谒恼魵鈮翰粫?huì)沸騰，只有溫度升至某一數(shù)值（高于100℃）時(shí)，水才開(kāi)始沸騰，此時(shí)水變成水蒸氣吸收體系的熱量，大大減緩了溫度的持續(xù)上升，溫度曲線(xiàn)也發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，變?yōu)榛旧掀骄徻厔?shì)，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是溶液的沸騰溫度（參見(jiàn)圖3，圖中t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度tb就是沸騰溫度）。對(duì)于初中生而言，物理課中鋪墊的“下雪不冷化雪冷”體感和“純水沸騰溫度保持在100℃”體驗(yàn)可以讓他們?nèi)菀桌斫馑娜龖B(tài)變化時(shí)溫度的變化趨勢(shì)，換言之，用溫度曲線(xiàn)表征不會(huì)妨礙認(rèn)知和內(nèi)化。

2 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品

氯化鈉（分析純）、蔗糖（分析純）、蒸餾水、粗鹽、冰塊

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

燒杯、試管、玻璃棒、量筒、膠頭滴管、藥匙、電子天平、電磁爐、溫度傳感器（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）、數(shù)據(jù)采集器（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件（江蘇艾迪生數(shù)字發(fā)展有限公司）

3 實(shí)驗(yàn)裝置和步驟

燒杯中冰鹽混合物起冷卻劑作用（通?？梢越抵?20℃），小試管中盛放的是實(shí)驗(yàn)溶液，溫度傳感器將實(shí)時(shí)溫度變?yōu)檫m當(dāng)?shù)奈锢砹?，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳至數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器的分析和處理后，變?yōu)榭梢暬臏囟惹€(xiàn)呈現(xiàn)出來(lái)。

3.1 溶液的凝固點(diǎn)下降

（1）配制溶液：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實(shí)驗(yàn)儀器：連接溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和艾迪生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。

（3）制備冷凍混合物：準(zhǔn)備一個(gè)大燒杯，燒杯中放入大半杯冰塊，并向其中加入1/4量的粗鹽，充分混合后，獲得冷凍混合物。

（4）連接實(shí)驗(yàn)儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉(zhuǎn)移到試管中，將試管放置在步驟（3）準(zhǔn)備好的冷凍混合物環(huán)境中，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖4所示）。

（5）設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)：設(shè)置采集速率為0.5點(diǎn)每秒，即2秒1點(diǎn)。

（6）開(kāi)始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集：將采集的數(shù)據(jù)輸出到艾迪生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中，并繪制溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖6、圖7）。

3.2 溶液的沸點(diǎn)上升

電磁爐可以提供較高且受熱均勻的溫度（通常可以達(dá)到200℃），燒杯中盛放的是實(shí)驗(yàn)溶液，溫度傳感器將實(shí)時(shí)溫度變?yōu)檫m當(dāng)?shù)奈锢砹?，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳至數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器的分析和處理后，變?yōu)榭梢暬臏囟惹€(xiàn)呈現(xiàn)出來(lái)。

（1）配制溶液：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的稀的氯化鈉溶液和蔗糖溶液。

（2）組裝實(shí)驗(yàn)儀器：連接溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和艾迪生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件。

（3）電磁爐預(yù)熱：開(kāi)啟電磁爐，預(yù)熱。

（4）連接實(shí)驗(yàn)儀器：將配制好的氯化鈉溶液和蔗糖溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中，將燒杯放置在步驟（3）準(zhǔn)備好的電磁爐上，用蒸餾水洗滌溫度傳感器金屬探頭，并用干燥的紙擦拭干，將溫度傳感器分別插入盛有氯化鈉溶液和蔗糖溶液中（如圖5所示）。

（5）設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)：設(shè)置采集速率為1點(diǎn)每秒，即每秒1點(diǎn)。

（6）開(kāi)始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集：將采集的數(shù)據(jù)輸出到艾迪生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中，并繪制溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖8、圖9）。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)

（1）對(duì)1%、5%、10%、15%、20%五種不同溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的食鹽水和蔗糖溶液進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果呈現(xiàn)一致性，即凝固溫度：食鹽水<蔗糖溶液；沸騰溫度：食鹽水>蔗糖溶液。以10%食鹽水和蔗糖溶液為例（參見(jiàn)圖6～圖9），-8.5℃（食鹽水的凝固溫度）<-1.7℃（蔗糖溶液的凝固溫度）；109.6℃（食鹽水的沸騰溫度）>106.3℃（蔗糖溶液的沸騰溫度）。

（2）每種濃度的溶液都進(jìn)行了三次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)偏差?。ɑ驹?%以?xún)?nèi)），實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好。

4.2 實(shí)驗(yàn)討論

（1）因1%、5%蔗糖溶液凝固溫度下降不顯著，為避免因?qū)嶒?yàn)的偶然誤差造成誤解，有利于初中生心理認(rèn)同，我們選擇10%蔗糖溶液和食鹽水結(jié)果作為參照，對(duì)比效果顯著。

（2）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合“溶液的沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降取決于一定量的溶劑中加入溶質(zhì)的物質(zhì)的量”[3]的定性解釋。因?yàn)镸r（C12H22O11）=342，Mr（NaCl）=58.5，所以c（C12H22O11）≈0.34mol/L，c（Na+）=c（Cl-）≈1.90 mol/L，也就是說(shuō)，兩種相同體積溶液中溶質(zhì)的微粒數(shù)大約相差近11倍（因氯化鈉是電解質(zhì)，離子的表觀濃度要小于理論濃度），自然食鹽水的蒸氣壓要比蔗糖溶液小得多，因而凝固溫度更低，沸騰溫度更高。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和建議

（1）因升溫和降溫時(shí)間較長(zhǎng)，建議教師在教學(xué)中事先準(zhǔn)備，用軟件保留實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果是在未來(lái)教室或具備雙屏的教室，課堂上一個(gè)屏播放實(shí)驗(yàn)視頻，另一個(gè)屏就可以直接用軟件的回放功能重現(xiàn)曲線(xiàn)生成，必要時(shí)還可以調(diào)出轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度，強(qiáng)化學(xué)生的對(duì)比記憶。如果是條件相對(duì)薄弱（一般只有單個(gè)投影屏）的農(nóng)村中學(xué)，筆者的經(jīng)驗(yàn)是先展示實(shí)驗(yàn)裝置圖片或照片，配以必要的儀器介紹，然后展示溫度變化曲線(xiàn)，配合啟發(fā)式教學(xué)，同樣能收到很好的教學(xué)效果。

（2）對(duì)于學(xué)生可能產(chǎn)生的“為什么相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩種溶液凝固溫度和沸騰溫度相差較大”的疑問(wèn)，建議教師結(jié)合溶質(zhì)的微粒種類(lèi)、數(shù)量進(jìn)行定性解釋?zhuān)▍⒖?.2實(shí)驗(yàn)討論）。還可以設(shè)置相應(yīng)的課外討論題，引導(dǎo)某些學(xué)有余力的學(xué)生自學(xué)，促成“小實(shí)驗(yàn)，大延伸”的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（下冊(cè)修訂版）[M].上海：上海教育出版社，2004：157.

[2]課標(biāo)研制組.義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)（下冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2013：8.

[3]北京師范大學(xué)等.無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)·第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：299.