吸热反应实验的新设计

梁胜金

摘要： 现行高中化学教材中的吸热反应实验产生的尾气有污染，且实验结果受环境温度影响较大。对此实验做了改进，利用红外测温仪、具支试管、干燥管等器材设计新的吸热反应装置，使反应、搅拌、氨气的检验与吸收一体化完成;红外测温仪可随时监测反应过程的温度变化，且数字显示，既直观又迅速;实验方法体现绿色环保、现象明显、创新性强等诸多特点。

关键词： 吸热反应; 环境污染; 红外测温仪; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2018）11-0080-03中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题提出

吸热反应实验是现行高中化学教材[1]中一个重要演示实验（如图1所示），教材旨在通过实验来证明Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应是一个吸热反应。但笔者通过多年教学实践发现，如果按照教材中的实验方法进行实验存在以下几个问题： （1）反应器大烧杯是敞口的，反应生成的氨气会污染教学环境，且耗化学试剂的量多，一次实验要耗30克固体试剂{20g氢氧化钡晶体[Ba（OH）2·8H2O]和10g氯化铵晶体}，不符合环保要求;（2）在室温下进行实验时，由于没有隔热材料的保护，传热较快，在烧杯与玻璃片（或三合板）之间不易结冰，不能冻结在一起;（3）由于水具有流动性，它能快速填充烧杯与玻璃片（或三合板）之间的空隙，在大气压力以及玻璃与水分子间作用力的共同作用下，烧杯与玻璃片（或三合板）很容易粘合到一起，虽与溶解吸热导致“结冰”现象不同，但仍易造成实验假象。

由于教材中的实验方法存在以上不足，我们利用红外测温仪、具支试管、干燥管等器材，设计了新的吸热反应实验装置，使反应、搅拌、氨气的检验与吸收一体化完成。通过运用先进的测温手段可以监测反应过程温度的变化，整个实验过程绿色环保、反应迅速、现象直观、趣味性强，使原吸热反应实验存在的问题迎刃而解，收到了较好的教学效果。

2 研究现状及分析

通过查阅资料发现，广大化学同仁对“Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应时要吸收热量”实验多有研究和改进，并在省级以上期刊发表了相关研究论文十余篇，这些文章除了研究氢氧化钡晶体和氯化铵的代用品外，归纳起来还研究了以下两个问题： 一是解决氨气对教学环境的污染;二是改变测定温度变化的方法。在已经公开发表的研究论文中，我们发现其实验方法虽有改进，但仍然不尽如人意： 有的实验方法[2～4]虽然进行了一定的改進，但并没有从根本上解决污染问题;有的实验方法[5]即使利用热敏温度计代替常规温度计，增大了实验的可观察性，但还是没有消除氨气对教学环境的污染，况且热敏温度计的热敏探头容易被腐蚀。由此可见，很有必要对现行化学教材的实验方法作进一步研究，努力改革和创新，寻找一个较为理想的实验方法，让其不仅解决氨气的污染问题、充分搅拌反应物问题，而且还能简单、准确地测定反应前后的温度变化。

3 设计理念

实验设计理念决定实验设计的合理性、科学性和实用性。根据环保理念和基本要求，对“Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl反应时要吸收热量”实验的创新设计，必须遵循以下原则： （1）对反应产生的污染物——氨气进行相应处理，并大幅减少反应物的用量，从而消除对教学环境的污染。（2）由于反应物Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl均为固体物质，进行实验时，必须使用搅拌器使两种固体物质搅拌均匀，使反应更充分、更迅速。（3）测定反应前后温度变化时，要求测温装置简单、准确、迅速，可观察性强。（4）实验装置还要具备取材容易、制作简单、便于操作、重复性好、安全可靠等特点。

4 设计方法

依据上述设计理念，在制作实验装置时，采用两种物质在具支试管内进行;生成的氨气通过干燥管内沾有稀盐酸的脱脂棉进行吸收，消除氨气对教学环境的污染;利用干燥管内润湿的红色石蕊试纸检验氨气的生成;两种物质的搅拌可通过粗铜丝制成的搅拌器来完成;利用红外测温仪通过测温孔测定反应前后反应器壁的温度变化。

5 实验原理

实验过程中涉及到的化学反应：

（1） Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应：

Ba（OH）2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O-Q（热量）;

（2） 润湿的红色石蕊试纸遇到氨气变蓝;

（3） 氨气的吸收：

NH3+HClNH4Cl。

6 实验方案

6.1 实验用品

红外测温仪（欧米安仪器，GM550型，测温范围： -50～550℃，淘宝网有售35～65元1个）;具支试管（20mm×200mm）1支;球形干燥管1个;2号单孔橡胶塞1个;3号橡胶塞1个;粗铜丝（直径： 0.3cm，长： 35cm）、铁架台、铁夹、十字夹各1个;脱脂棉若干;锥子1把;铁钳1把;一次性注射器（20mL）1支

Ba（OH）2·8H2O; NH4Cl; 10%稀盐酸;蒸馏水;红色石蕊试纸;凡士林

6.2 仪器制作

（1） 制作搅拌器。

取一根粗铜丝（直径： 0.3cm，长： 35cm），用铁钳将下端弯成锯齿形。取一个3号橡胶塞，用锥子在其中央扎一个小孔，将粗铜丝的另一端从3号橡胶塞小头的中央孔穿过后，用铁钳弯成直角摇把（如图2所示）。

（2） 仪器组装。

将拼装好的搅拌器橡胶塞上下的粗铜丝表面涂上凡士林后，上下抽动一下粗铜丝，使粗铜丝旋转灵活，粗铜丝与橡胶塞之间被凡士林密封严实以防漏气。将其放到具支试管里，使橡胶塞塞紧在具支试管口处。在具支试管的支管处安装单球干燥管，干燥管内盛放着用水润湿的红色石蕊试纸和用稀盐酸润湿的脱脂棉团（如图3所示）。

图4 装置

6.3 实验装置

如图4所示，铁架台、铁夹、十字架已略去。

A.直角摇把;B.用盐酸（10%）润湿的脱脂棉团;C.用蒸馏水润湿的红色石蕊试纸;D.搅拌器;E.红外测温仪;F.氢氧化钡晶体和氯化铵晶体混合物;G.红外光线

6.4 实验过程及其现象

（1） 在具支试管内加入1mL蒸馏水。打开红外测温仪的开关，并置红外测温仪于具支试管20cm处，使红外光线直接照射具支试管底部，测出的初始温度为8.8℃。

（2） 在反应器内分别加入2g氢氧化钡晶体[Ba（OH）2·8H2O]和1g氯化铵晶体（NH4Cl）后，塞紧橡胶塞，顺时针或逆时针旋转直角摇把，搅拌具支试管底部的反应物。

（3） 搅拌1min后可观察到单球干燥管内的红色石蕊试纸变蓝，说明氢氧化钡晶体和氯化铵晶体反应生成了氨气，剩下的氨气被脱脂棉团内的稀盐酸吸收（NH3+HClNH4Cl）。

（4） 搅拌3min后，打开红外测温仪的开关，并将红外测温仪放置距具支试管底部20cm处，让红外光线直达具支试管外壁，此时测出具支试管底部外壁的温度为-3.8℃，说明氢氧化钡晶体和氯化铵晶体反应是一个吸热反应。

（5） 实验完毕后取下具支试管支管上的干燥管，通過支管将一次性注射器内的3mL稀盐酸注入到具支试管内，使反应器内的氨气全部被吸收（NH3+HClNH4Cl）。

6.5 实验说明

（1） 向具支试管中加入蒸馏水的目的是为了使氢氧化钡晶体[Ba（OH）2·8H2O]和氯化铵晶体（NH4Cl）的反应更充分、更迅速，反应体系温度降低得更快。

（2） 使用红外测温仪，读数迅速、准确，可以随时测定体系的温度变化，无需等到实验完毕进行测定，节省了实验时间，提高了教学效率。

7 结束语

利用红外测温仪、具支试管、搅拌器、干燥管等器材研制的吸热反应实验装置，既简单又实用，不仅解决了生成物氨气的污染问题，而且还可以使反应物充分搅拌、充分反应从而达到最佳实验效果。此外，使用现代科技产品红外测温仪测定反应的温度变化，避免了利用常规温度计、热敏温度计等测温仪器测定温度带来的不便。通过该实验装置的使用，可以潜移默化地培养学生的环保意识和创新精神，激发学生的学习兴趣，进一步提高了化学实验教学质量。

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室编著.全日制普通高级中学教科书·化学（必修）（第一册）[M].北京： 人民教育出版社， 2003： 19.

[2]李静雯.八水合氢氧化钡与氯化铵吸热反应实验改进[J].教学仪器与实验， 2014，（9）： 35.

[3]蒯世定，刘怀乐.关于吸热反应实验的研究[J].化学教学， 2002，（5）： 12.

[4]庞春辉，关宁，刘文.吸热反应的实验创新[J].中学化学教学参考， 2017，（8）： 63.

[5]张春侠，赵研.吸热反应实验的环保改进[J].教学仪器与实验， 2009，（3）： 23.