有关“中和热测定”实验的几个问题

为了加强定量实验在化学教学中的比重，“中和反应反应热的测定”这个课堂演示实验在近40年前就被引入了中学化学教材。

当时，尽管自己对这个实验设计的合理性就有一些质疑。但资历尚浅，总以为早晚会有人提出如下的这些不同观点，在再版时会把教材中的一些不足之处改掉。

没想到的是，在现行教材中，它基本上仍是以老面孔的形式再次出现的^[1]。

只好在这里再与同仁们磋商一下了。

一、反应装置应该与时俱进、科学合理

由于烧杯是一种最为基本与常见的化学实验仪器，所以人们多认为这套测定实验的装置，还应该是由一大一小的两个烧杯来构成的。

由于测定的是反应热。出于要与外界隔热的需要，又只好在大小两烧杯之间再填充泡沫塑料或纸条。

由于填充的碎泡沫塑料只能减弱空气的对流，不能阻止热的辐射和传导，其隔热的效果并不很好。所以实验结果有时会比理论值偏低一半还多。

在保温杯已极为常见的现在，应该规定必须要用保温杯来进行这个实验。

这个实验中，并没有什么需要用肉眼才能被观察到的现象，没有一定要直视反应过程的需要。在无机化学实验中的这个实验也是在“保温杯式简易量热计”中进行的^[2]。

出于防止小烧杯或保温杯的底部，可能在操作过程中被温度计或玻璃搅拌器接触到，而造成破损。教材最好还要规定，在温度计及玻璃搅拌器插入上盖板后，要用橡皮圈将其所能下移的最下端位置给固定住。

教师还应该知道，由于这个反应的温度升高值是不大的。从最终的计算公式

     ……（1）

可知，当实验值ΔH=57.1kJ/mol时^[3]，t₂-t₁只有3.4℃。温度计的读数如果有0.5℃的误差，就会有14.7%的实验误差。如果温度计连1℃的刻度都没有，这个实验就很难被认为还是一个测定实验了。

所以所选用的温度计的刻度值应该能尽可能的小（精密度才能高），应能看出0.1℃的差别才好。

二、实验步骤应合理

在这个实验中，要测定三个温度值。为避免测量仪器间的系统误差，这三个温度值的测定应该由同一支温度计来完成。这样该温度计的使用顺序就应该安排的比较合理才好。

教材规定的顺序是：先在小烧杯中测盐酸的温度；将温度计清洗干净后，再到量筒中去测NaOH溶液的温度；将温度计再次清洗干净，最后放入装盐酸的小烧杯，测反应终止时的温度。

这样的实验步骤安排有两个不合理的地方：

一是，如先测NaOH溶液的温度，就可以少洗一次温度计。

二是，用温度计先测盐酸温度后测NaOH温度时，其表面上沾有的盐酸就必须要被洗去。这会造成盐酸量的少许损失（而它是不过量的，NaOH才是过量的）。

这个实验以先测NaOH溶液的温度。洗后，用其后测盐酸温度，不必移出，接着再测反应后最终温度。这样的次序才好。

三、可以考虑测定“量热计热容”

当实验误差与理论值相差较大时（教学中难免会出现这样的情况），教师应该想到，这个实验的最主要误差就是没有考虑到量热计本身所具有的热容。当反应进行导致溶液温度上升时，量热计不是也同样要吸一些热，而使其温度一起升高同样的幅度吗？

当实验结果偏低过多时，是有补救方法的。教师可以采取的对策就是，继续测出该量热计的热容（不同量热计的热容是不一样的）。

测定量热计热容的方法是^[2]：

先将量热计中酸碱反应后的残液倒出，洗净，并使其中无多余的水。

用量筒取50.0 ml自来水放入原量热计（保温杯、及插有温度计和搅拌器的上盖）中，至温度不再改变，记录下冷水的温度T₁。

再用量筒取50.0 ml自来水，在小烧杯中加热至高于冷水温度20℃左右。静置半分钟，测出其温度T₂，然后迅速将其倒入装有冷水的量热计中。盖好量热计的上盖，用搅拌器搅拌至温度不再改变，记录下最高温度T₃（当然更准确的T₃，最好通过作图由外推法来获得）。

当冷、热两份水的质量相同均为m、水的比热容为C时，有

冷水得的热为=mC(T₃- T₁)

热水失的热为= mC(T₂- T₃)

量热计得的热为= mC(T₂- T₃)- mC(T₃- T₁)

这样量热计的热容就为

      ……（2）

在本实验中，水的质量为m=50.0 g、水的比热容为C=4.18 J∙ g ^-1∙℃^-1。将它们及测得的T₁、T₂和T₃，一起代入式（2），就可以得出量热计热容的具体数值。

把反应后温度与原盐酸温度间的差值，乘以量热计热容，就是量热计所吸收的热量。应该将其补充到这个测定实验的数据中来。

四、反应中氢氧化钠要过量的原因

在这个测定实验中，氢氧化钠是过量的。对其原因，教材解释为是“为了保证0.50mol/L的盐酸完全被NaOH中和”。这给人的感觉是，似乎要从平衡移动的角度来看问题。因为对一个可逆反应，只有一个反应物过量了，另一个反应物才会反应的更完全。

其实对这类强酸与强碱间的反应来说，极大的平衡常数就意味着，它们之间的反应进行的是相当完全的。只要是等物质的量的一元酸碱，都可以完全中和，测出的中和热也相差无几。

之所以要让NaOH过量，可能是由于以下的一些原因。

第一，在中学实验中这两个溶液在配制时不但不可能进行过标定，并且还都是粗略配制的。这时，易变质NaOH中的杂质Na₂CO₃对实验结果的影响，是不能不被考虑到的。

对反应H⁺+OH^-=H₂O，不难计算出反应热为ΔH= -285.3-0-(-230.0)= -55.3(kJ/mol)。

对反应2H⁺+CO₃^2- = H₂O+CO₂，不难计算出反应热为ΔH= -285.3-393.5-2×0-(-676.3)= -2.5(kJ/mol)。

也就是说，氢氧化钠与盐酸、及氢氧化钠与碳酸钠，两者间的反应热是有极大差别的（近20倍）。

为了避免碳酸钠的十分显著的干扰，最简单的方法就是让氢氧化钠的过量。在有氢氧化钠还存在的情况下，碳酸钠是不会与盐酸反应的，因为前者是更强的碱。

第二，在定量的实验中，这一做法也有普遍的实际意义。即便是最精密的实验，也没有必要让两种反应物都按相互完全反应的理论值来取用，只要其中一个量是足够准确的（以其为计算的标准），另一个量只要能保证稍稍过量即可，而没有必要去进行很准确的、也无任何意义的称量。

参考文献

[1] 人教化学选修4

[2] 北京师范大学等校编. 无机化学实验. 高等教育出版社. 1983年

[3] [英]J∙G∙斯塔克、H∙G∙华莱士著. 杨厚昌译. 化学数据手册. 石油工业出版社. 1980年.