“看見”分子間作用力的數(shù)字化實驗設(shè)計

基金項目：本文系中國教育學(xué)會“化學(xué)實驗教學(xué)”專項課題重點課題“化學(xué)數(shù)字化實驗在跨學(xué)科實踐活動中的應(yīng)用研究”（202300170802ZXA）、江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“高中化學(xué)認(rèn)知模型建構(gòu)的實踐研究”（D/2021/02/540）、江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期課題“高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的實施策略研究”（2021JY14-ZB10）的階段性研究成果。

摘" 要：本文通過四組數(shù)字化實驗，將分子間作用力的存在表征為液體揮發(fā)時溫度和氣壓的變化數(shù)據(jù)；通過實驗測定液體有機(jī)物在常壓下?lián)]發(fā)時的溫度變化數(shù)據(jù)以及負(fù)壓條件下?lián)]發(fā)時的氣壓變化數(shù)據(jù)，雙重表征分子間作用力的存在，實現(xiàn)思維可視化，幫助學(xué)生形成證據(jù)意識，提升分析問題與解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；分子間作用力；溫度變化；氣壓變化

文章編號：

1008-0546（2024）14-0089-03

中圖分類號：

G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

B

一、

問題的提出

分子間作用力是高中階段的重要概念，源自《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》模塊2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”主題2“微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”［1］

，該主題涉及微觀層面，理論性強、內(nèi)容抽象，學(xué)生不易理解。在“教學(xué)策略”中指出，教學(xué)要關(guān)注不同類型微粒間相互作用概念的形成和發(fā)展思路，充分利用建立這些概念所使用的關(guān)鍵證據(jù)，通過實驗事實和數(shù)據(jù)的對比，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行解釋。通過分子間作用力落實“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等核心素養(yǎng)，教師要精心設(shè)計實驗探究活動，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，發(fā)展可視化思維，讓學(xué)生“看見”分子間作用力。

二、“看見”分子間作用力的數(shù)字化實驗設(shè)計

通過檢索發(fā)現(xiàn)，關(guān)于分子間作用力的可視化實驗改進(jìn)文獻(xiàn)較少。從研究的反應(yīng)底物來看，實驗選擇的物質(zhì)主要集中在醇類，如林丹萍等［2］利用手持技術(shù)數(shù)字化實驗探究比較丁醇同分異構(gòu)體的分子間作用力大??；王西宇等［3］利用手持技術(shù)數(shù)字化實驗比較丙二醇兩種同分異構(gòu)體的分子間作用力大小；王立新等［4］利用手持技術(shù)數(shù)字化實驗構(gòu)建“分子間作用力”TQVC概念認(rèn)知模型，即“轉(zhuǎn)化—量化感知—視覺感知—比較”概念認(rèn)知模型等。

由于醇類分子間同時存在氫鍵和范德華力兩種分子間作用力，所以兩種分子間作用力的相對大小難以通過實驗進(jìn)行比較。王春［5］借助溫度傳感器實驗測定常見烷烴、醇類蒸發(fā)時的溫度變化曲線，直觀表征分子間作用力，幫助學(xué)生理解同系物和同分異構(gòu)體等概念內(nèi)涵。從實驗測量視角來看，該類研究只有單一的溫度視角，對于分子間作用力大小的量化表征不夠全面。

本研究選取了中學(xué)常見的正戊烷、正己烷、正庚烷以及相對分子質(zhì)量與正己烷接近的正丁醇設(shè)計數(shù)字化實驗，測定常壓下液體有機(jī)物揮發(fā)時的溫度變化數(shù)據(jù)以及負(fù)壓條件下液體有機(jī)物揮發(fā)時的氣壓變化數(shù)據(jù)。通過雙重表征方式，使微觀的、抽象的分子間作用力以直觀的、可視化的形式呈現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生對于氫鍵和范德華力的存在及其影響因素的認(rèn)知與理解。

1. 實驗原理

一定外界條件下，液體表面的分子暴露在空氣中，需要吸收一定的能量來掙脫液體進(jìn)入空氣中。只有超過平均分子動能的分子才可以克服鄰近分子的吸引力，逸出液面進(jìn)入氣相。在環(huán)境不能提供能量補充時，體系溫度就會下降，密閉體系中氣體壓強增大。物質(zhì)的揮發(fā)性、蒸氣壓均與分子間作用力呈負(fù)相關(guān)。換言之，分子間作用力越大，分子從液體物質(zhì)表面逃逸的傾向越小，物質(zhì)的揮發(fā)性越小，體系的氣壓越小，且相同時間內(nèi)揮發(fā)時溫度降低幅度越小。

本研究通過溫度傳感器、氣壓傳感器，分別測定常壓下三種烷烴同系物及正丁醇揮發(fā)時的溫度下降幅度，以及負(fù)壓條件下?lián)]發(fā)時氣壓增大幅度來比較分子間作用力的大小。

2. 實驗器材、藥品及裝置

（1）實驗器材。

Logger Pro數(shù)字化實驗系統(tǒng)（溫度傳感器、氣壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器）、濾紙、小試劑瓶、塑膠套圈、乳膠手套。

（2）實驗藥品。

正戊烷、正己烷、正庚烷、正丁醇。

（3）實驗裝置。

溫度傳感器測定揮發(fā)溫度裝置、氣壓傳感器測定蒸氣壓裝置分別如圖1和圖2所示。

3. 實驗方案

本研究根據(jù)測量變量和實驗類型，開展了四組實驗，具體實驗方案如表1所示。

4. 實驗步驟及數(shù)據(jù)分析

四組實驗在溫度、大氣壓、濕度、空氣流速等相同條件下進(jìn)行，具體的實驗步驟及數(shù)據(jù)分析如下。

［實驗1］將溫度傳感器接入Logger Pro數(shù)字化實驗系統(tǒng)，分別用浸潤過正戊烷、正己烷、正庚烷的濾紙包裹溫度傳感器探頭，測定三種物質(zhì)常壓下?lián)]發(fā)時的溫度變化數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖3所示。

圖3中曲線均下降說明揮發(fā)過程吸熱，且三條曲線依次對應(yīng)的三種物質(zhì)范德華力有所差異。正戊烷的溫度下降最多，正庚烷下降最少，說明相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。后續(xù)正戊烷曲線上升是由于正戊烷的相對分子質(zhì)量較小，范德華力較小，揮發(fā)速率較快，先揮發(fā)完成；此時體系溫度低于環(huán)境溫度，隨時間增加，溫度逐漸上升。

［實驗2］將氣壓傳感器接入Logger Pro數(shù)字化實驗系統(tǒng)，分別用注射器吸取相同體積的正戊烷、正己烷和正庚烷液體，連接好氣壓傳感器，將注射器向外抽拉至相同刻度并固定，測定三種液體物質(zhì)負(fù)壓下?lián)]發(fā)時的氣壓變化數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖4所示。

由圖4可知，相對分子質(zhì)量最大的正庚烷，其具有的范德華力也最大，相同負(fù)壓條件下產(chǎn)生的蒸氣壓更小，單位時間內(nèi)氣壓就越小。實驗2從氣壓視角進(jìn)一步證實了范德華力的存在及其影響因素，補充了溫度視角的證據(jù)。

［實驗3］將溫度傳感器接入Logger Pro數(shù)字化實驗系統(tǒng)，分別用浸潤過正丁醇和正己烷的濾紙包裹溫度傳感器探頭，測定兩種物質(zhì)常壓下?lián)]發(fā)時的溫度變化數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖5所示。

由圖5知，單位時間內(nèi)，相對分子質(zhì)量較小的正丁醇在揮發(fā)時溫度降低反而更少。這一實驗結(jié)果與正丁醇的范德華力比正己烷小的事實相悖，說明在正丁醇分子之間必然存在另外一種區(qū)別于范德華力的作用力：氫鍵。由圖不難推理出氫鍵的強度大于范德華力。

［實驗4］將氣壓傳感器接入Logger Pro數(shù)字化實驗系統(tǒng)，分別用注射器抽取相同體積的正丁醇和正己烷，連接好氣壓傳感器，將注射器向外抽拉相同體積并固定，測定兩種液體物質(zhì)負(fù)壓下?lián)]發(fā)時的氣壓變化數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖6所示。

由圖6可知，相對分子質(zhì)量較小的正丁醇在相同負(fù)壓條件下產(chǎn)生的蒸氣壓更低，說明正丁醇分子間存在著強度大于范德華力的氫鍵。實驗3、實驗4同時從溫度和氣壓兩個視角設(shè)計實驗，尋求證據(jù)，較為全面地證實了范德華力與氫鍵的存在，并通過實驗結(jié)果推理出范德華力的影響因素及氫鍵的強度大小。

5. 實驗結(jié)論

本研究通過溫度傳感器、氣壓傳感器對三種烷烴同系物及正丁醇揮發(fā)時溫度與氣壓變化，表征分子間作用力的存在和相對大小。通過比較四組實驗數(shù)據(jù)曲線，得到以下結(jié)論。

（1） 三種烷烴同系物的溫度—時間變化曲線與氣壓—時間變化曲線反映了分子間范德華力的存在；三種烷烴同系物的組成和結(jié)構(gòu)相似，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大。

（2）與正己烷相比，正丁醇的相對分子質(zhì)量更小，范德華力更?。坏〈挤肿娱g存在氫鍵，遠(yuǎn)大于正己烷分子之間的范德華力，因此正丁醇分子間作用力大于正己烷。

6. 實驗成功的關(guān)鍵

本研究的四組對照實驗需要控制變量，在相同溫度、氣壓、空氣濕度和空氣流速的情況下實施，具體要求如下。

（1）實驗1、實驗3中測定溫度—時間變化曲線時，使用的溫度傳感器探頭用濾紙包裹蘸取有機(jī)物，確保包裹濾紙的大小與包裹面積相近，并用橡膠套圈固定住濾紙。

（2）選取容積相同的小試劑瓶，各倒入相同體積的有機(jī)物液體使液面處于同一水平線上，溫度傳感器探頭浸入液體中的高度和浸潤時間相同，確保探頭取樣量相近。

（3）實驗2與實驗4中測定氣壓—時間變化曲線時，使用規(guī)格相同的注射器抽取相同體積的液體，向外抽拉相同體積，以產(chǎn)生相同的負(fù)壓，并用燕尾夾固定住，以確保產(chǎn)生的負(fù)壓相近。

（4）四組實驗需同時進(jìn)行對照實驗，調(diào)節(jié)起始溫度、氣壓基本相同時再開始采集數(shù)據(jù)。

三、

實驗設(shè)計的意義

本實驗通過四組數(shù)字化實驗從溫度與氣壓兩個視角同時尋求證據(jù)，證實分子間存在范德華力與氫鍵，同時厘清了范德華力的影響因素及氫鍵的強度。四組對比實驗引導(dǎo)學(xué)生形成證據(jù)意識，通過數(shù)字化實驗實現(xiàn)思維的可視化，落實“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生使用科學(xué)方法的能力，提供給學(xué)生分析問題和解決問題的方法，提升學(xué)生的實驗探究能力。

本數(shù)字化實驗在后續(xù)教學(xué)中還可進(jìn)一步拓展，將底物拓展到同分異構(gòu)體，如正己烷與2-甲基戊烷、鄰羥基苯甲醛與對羥基苯甲醛、正丁醇和乙醚等，增加數(shù)字化實驗宏觀表征微觀粒子結(jié)構(gòu)的普適性，促進(jìn)學(xué)生對分子間作用本質(zhì)的理解。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］林丹萍，錢揚義，王立新，等.手持技術(shù)數(shù)字化實驗支持下的抽象化學(xué)概念學(xué)習(xí)——以探究比較丁醇同分異構(gòu)體的分子間作用力大小為例［J］.化學(xué)教育（中英文），2020（1）：74-78.

［3］王西宇，錢揚義，黃樂顯.應(yīng)用手持技術(shù)數(shù)字化實驗比較“丙二醇的2種同分異構(gòu)體”分子間作用力大小［J］.化學(xué)教育（中英文），2020（17）：86-91.

［4］王立新，錢揚義，蘇華虹，等.手持技術(shù)數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)的深度融合：從“研究案例”到“認(rèn)知模型”——TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2018（4）：104-112.

［5］王春.借助溫度傳感器實驗比較有機(jī)物分子間作用力的大小［J］.化學(xué)教學(xué)，2022（1）：56-60.