基于数字实验技术探究分子间作用力和氢键存在的实验创新

戈益超 魏魏

一、问题提出

常规教学中认识影响物质的熔沸点的因素，主要是从分子间作用力和氢键两方面入手，但是由于高中阶段学生还未接触分子间作用力相关的概念，如分子极性、极化率等，无法从微观层面科学地理解和比较不同分子的分子间作用力大小，因此大多数学生只能将该规律死记硬背，教师在这方面教学也是一带而过。那么如何让学生能够直观地感受分子间作用力和氢键对物质熔沸点的影响呢？

二、实验原理

基于有机物的熔沸点主要是由物质的分子间作用力决定，而分子间作用力是分子与原子之间的静电作用。而在其他条件相同的情况下，液体分子间的作用力越小，该液体越易挥发，蒸发时温度下降更多更快。故采用温度传感器测定有机物挥发造成温度下降快慢的方式来感受分子间作用力对有机物沸点的影响。实验直观、耗时短且可重复性强。

三、实验用品

仪器：电脑、威尼尔牌温度传感器、高温温度传感器、数据采集器、计算机、烧杯、熔点管、纱布。

药品：乙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、邻羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸。

四、实验过程

实验1：探究相对分子质量对分子间作用力的影响

实验方案：本实验采用同系物醇（乙醇、正丙醇、正丁醇）类作为实验载体，通过测定挥发过程中温度下降快慢来判断分子质量对分子间作用力的影响。用量筒量取等量（约20mL）的乙醇、正丙醇、正丁醇，分别倒入3个相同的小烧杯中，将卷着白纱布（增加蒸发面积）的温度探头分别同时浸入三个烧杯中，经过5s，同时将温度计探头提起，平行放在实验架上，观察温度读数变化（此时将烧杯移开，避免影响检测）。在相同条件下，进行多次检测，完成实验，并比较和分析实验结果。

实验现象及结论：蘸有三种物质的传感器温度变化如图所示，其中乙醇降低最快，正丁醇降低最慢。从而得出结论，一般来说，对于组成和结构相似的有机物，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔点、沸点越高。

实验2：探究支链对分子间作用力的影响

实验方案：综合考虑实验稳定性，通过大量实验后我们选择了分子质量相同的且含有羟基的三种醇，即正丁醇、异丁醇、叔丁醇作为测定对象，重复上面实验，通过传感器测定三种醇蒸发时温度变化规律，从而可以得出分子间作用力影响因素。

从上图可以看出叔丁醇的温度降得最快，即叔丁醇内克服分子间作用力最小，反之正丁醇分子间作用力最大。因此，对于相对分子质量相同且结构相似的有機物，支链越多，熔沸点越低。

实验3：基于同分异构体探究氢键的存在

实验方案：我们选择了分子间氢键和分子内氢键的物质进行对比实验，考虑到物质的常见性和实验的可行性，我们选择了邻、对羟基苯甲酸作为实验对象，设计出利用高温传感器，来观测两种物质在熔化时温度的变化。但是如果直接放置空气中加热测量熔点，很快就会发生氧化反应，从而无法测定熔点。后来想到采用封闭试管中加热，但是效果也不明显。最后改进为熔点管测定法，采用硅油作热介质，既增强了实验的安全性，也增加了实验的可比性。

结论：在影响物质熔沸点等其他外界条件相同的情况下，不同类型的氢键对物质的熔沸点影响不同，其中存在分子内氢键的物质熔沸点低于存在分子间氢键的物质。

五、创新和收获

首先，本实验在相同条件下利用手持技术测量不同液体蒸发时温度的变化曲线，促进学生在微观层面科学地理解和比较不同分子的分子间作用力，进而能够得出分子间作用力影响规律。

其次，本实验得出的结果与理论相符，而且数据重现性高，操作简单，耗时短，适合学生课外活动。为“分子间作用力影响物质熔沸点”提供有效且易实现的实验手段。

最后，本实验采用室温下易蒸发的且毒性很小的物质来完成实验有利于减小毒害性，采用熔点管测定氢键影响实验体现了安全性和对比性。

注：本文为安徽省教育规划办省级课题《基于化学学科核心素养的数字实验创新研究》研究成果，课题编号：JK17047。

编辑 李博宁