王春
摘要：
以TQVC概念认知模型为理论依据，借助温度传感器实验测定有机物在相同条件下蒸发时的温度变化曲线图像，能帮助学生直观地形成表象，促进分子间作用力抽象概念的科学建构，加深学生对同系物和同分异构体等概念内涵的深度理解。
关键词：
手持技术; 抽象概念; 分子间作用力; 实验设计
文章编号：
10056629（2022）01005605
中图分类号：
G633.8
文献标识码：
B
1 问题的提出
分子间作用力和氢键是现行高中化学选择性必修《物质结构与性质》中的重要概念，因上述概念涉及的抽象内涵不易被直接感知，且在传统教学中教师难以通过实验案例启发学生思考，导致学生对该概念的理解主要停留在定性规律的机械记忆上。如对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大。但对于相对分子质量相等的物质，根据以上规律无法判断其分子间作用力的大小，学生难以科学感知与建构较为清晰的化学概念。手持技术数字化实验因其具有定量化和可视化特点，可作为认知工具帮助学生克服化学概念学习中的认知难点，使他们在现有认知发展水平上科学感知与有效建构抽象化概念。
本研究选取中学化学常见的有机物运用手持技术设计数字化实验，通过测定常见烷烃、醇类在相同条件下蒸发时的温度变化曲线与可视化实验现象让学生感知分子间作用力的存在，掌握分子间作用力和氢键对物质熔沸点产生影响的规律，并加深学生对同系物和同分异构体概念的深度理解。
2 实验设计
2.1 实验设计理论基础
TQVC概念认知模型是以认知建构主义学习理论为基础，以手持技术为技术支持，包含转化（Transformation）量化感知（Quantitative Perception）视觉感知（Visual Perception）比較（Compare）四个认知过程[1]。本研究基于TQVC概念认知模型来设计实验，将不可测量的微观抽象概念“分子间作用力”与可测量的宏观概念“温度”建立联系，两者关系如下：
宏观层面，分子间作用力越大，蒸发过程越困难。微观层面，蒸发时液体表面的分子克服分子间作用力脱离液体表面，导致剩余液体能量降低，表现为液体温度下降。因此，借助手持技术数字化实验能实时、精确地测量典型液态烷烃和醇类蒸发过程中的温度变化，让学生量化感知温度数据，视觉感知温度曲线图像，最后通过比较图像中曲线的下降速率来比较同系物和同分异构体的分子间作用力大小，从而科学建构“分子间作用力”概念，深度理解同系物和同分异构体的特点，具体设计思路如图1所示[2， 3]。
2.2 实验设计研究内容
2.2.1 实验仪器及试剂
仪器：
威尼尔LABQUEST2数据采集器、温度传感器、50mL烧杯、10mL量筒、胶头滴管、滤纸、橡皮圈
试剂：
正己烷（分析纯）、正庚烷（分析纯）、甲醇（分析纯）、乙醇（分析纯）、正丙醇（分析纯）、正丁醇（分析纯）、异丁醇（分析纯）、叔丁醇（分析纯）、乙醚 （分析纯）
2.2.2 实验原理
液态或凝聚态物质在蒸发过程中，动能较大的分子会从体系中逸出，逸出的分子需克服表层分子对其的吸引作用而做功，若环境无法及时给体系补充能量，导致体系的温度降低，温度降低的大小和快慢与分子间作用力的强弱有关。借助图2所示装置用温度传
感器蘸取不同液态烷烃、醇类等待测样品放置在空气中进行蒸发，通过不同物质在相同条件下蒸发时温度降低的幅度大小（温差）来比较分子间作用力的大小[4，5]。
2.2.3 实验步骤
本实验在温度（23.5℃）、相对湿度（56%）、大气压（1.01×105Pa）、空气流速等外界条件相同的通风橱中进行，具体实验内容及实验步骤如下：
实验1 正己烷和正庚烷的蒸发
（1） 组装实验仪器：
按照图2所示装置示意图，将计算机、数据采集器、温度传感器三者相连接，打开LoggerPro 3.16.2软件。
（2） 准备温度传感器：
用橡胶圈固定滤纸（3cm×0.5cm）于温度传感器测量端，然后将2个温度传感器按顺序固定在图2所示实验台上。
（3） 量取实验试剂：
分别取2个50mL的烧杯，在烧杯中分别装入10mL正己烷、10mL正庚烷（保持液体的液面高度相同，即浸润探头的高度一致）。
（4） 开启数据采集器：
设置数据采集参数，速率设为1个/s，样本设为连续（连续不断采集数据，直到人为停止），点击数据采集器，2个温度探头开始测定环境温度。
（5） 浸入有机试剂：
提起实验台上的温度传感器探头1和2，分别将探头尖端部分同时浸入正己烷和正庚烷中使滤纸吸附待测液体，待温度示数稳定后开始采集数据，约10s后，取出温度传感器水平置于实验台上，观察温度读数的变化。
（6） 停止实验：
待2个温度传感器读数均较稳定后，点击“停止”按钮，停止采集，并保存实验数据。
在相同条件下，重复上述步骤2次，完成3组平行实验，并比较和分析实验结果，得到最佳实验数据曲线如图3所示。
实验2 甲醇、乙醇和正丙醇的蒸发
分别取3个50mL的烧杯，在烧杯中分别装入10mL甲醇、10mL乙醇和10mL正丙醇，对照完成实验1中实验操作步骤，在相同条件下，重复上述步骤2次，完成3组平行实验，并比较和分析实验结果，得到最佳实验数据曲线如图4所示。
实验3 正丁醇、异丁醇和叔丁醇的蒸发
分别取3个50mL的烧杯，在烧杯中分别装入10mL正丁醇、10mL异丁醇和10mL叔丁醇，对照完成实验1中实验操作步骤，在相同条件下，重复上述步骤2次，完成3组平行实验，并比较和分析实验结果，得到最佳实验数据曲线如图5所示。
实验4 正丁醇和乙醚的蒸发
分别取2个50mL的烧杯，在烧杯中分别装入10mL正丁醇、10mL乙醚，对照完成实验1中实验操作步骤，在相同条件下，重复上述步骤2次，完成3组平行实验，并比较和分析实验结果，得到最佳实验数据曲线如图6所示。
2.2.4 实验注意事项
该实验具有较强的课堂操作性和可重复性，但仍有一些影响实验成功的因素，笔者对之进行简要说明：
（1） 本文用实验探究对比了温度传感器的探头直接测温和包裹了滤纸的探头测温的差异。所用温度传感器的探头上用橡皮圈包裹了滤纸蘸取有机物温度下降的速率大于温度传感器的探头上未包裹材料，实验效果更好，但每次实验包裹探头的滤纸的状况（如包裹表面积、包裹形状、橡皮圈包扎的方式等）应大致相同。
（2） 应选取相同量程的烧杯，且保证10mL液体倒入各个烧杯后，其液面处于同一水平线上，否则温度传感器探头浸入后附着在探头上液体量不同，会对实验结果造成影响。
（3） 每次实验应尽可能保证实验台上的温度传感器探头浸入液体中的高度和浸润时间相同，蘸取液体后应水平静置进行实验。
3 实验分析及结论
本研究结合烷烃和醇类同系物及醇类同分异构体蒸发的温度随时间变化实验数据曲线，从宏观现象和微观本质的视角对实验结果进行剖析，引导学生从本质上理解化学概念和实验原理，最终提高学生的化学学科核心素养。
3.1 烷烃类和醇类同系物实验分析
由圖3和图4数据曲线可知，在相同条件下，两种烷烃同系物和三种醇类同系物蒸发时温度变化的速率各不相同，其顺序为：
正己烷>正庚烷，甲醇>乙醇>正丙醇，虽然上述烷烃和醇类均属于同系物，各自类别的组成结构相似，但因为相对分子质量的不同，其分子间作用力也会产生相应的差异。具体温度—时间变化曲线的分析见表1。
3.2 醇类位置异构和官能团异构实验分析
由图5和图6数据曲线可知，在相同条件下，三种醇类位置异构体和正丁醇与乙醚两种官能团异构体蒸发时温度变化的速率各不相同，其顺序为：
叔丁醇>异丁醇>正丁醇，乙醚>正丁醇。虽然上述醇和醚均属于同分异构体，各物质的分子式和相对分子质量相同，但因其分子结构的不同，分子间作用力也会产生相应的差异。具体温度—时间变化曲线的分析见表2。
3.3 实验结论
本研究借助手持技术数字化实验手段对常见烷烃、醇类同系物、醇的同分异构体以及醇和醚同分异构体蒸发时温度随时间的变化进行实验探究，并结合相关实验数据曲线分析，归纳提炼出以下结论：
（1） 手持技术数字化实验支持下，“分子间作用力”会影响由分子构成的物质的蒸发过程，分子间作用力越大，宏观体现为蒸发过程越困难。蒸发导致剩余液体能量降低，表现为液体温度下降。因此，可以用可测量的“温度”变化来证明不可测量的微观抽象概念“分子间作用力”的存在。
（2） 对于烷烃和醇类同系物，其分子间作用力大小规律可用相对分子质量大小来判断，当其他条件相同时，同系物的相对分子质量越大，分子间作用力越强。
（3） 对于醇类位置异构的同分异构体，其分子间作用力大小规律可用空间位阻来判断，微观结构中的空间位阻越大，分子间作用力越小;对于醇类官能团异构的同分异构体，其分子间作用力大小规律可用氢键来判断，醇能形成氢键，而醚不能，故醇的分子间作用力比醚的更强。
总之，手持技术数字化实验所提供的常见有机物在相同条件下蒸发时的温度曲线图像能有效地帮助学生直观地形成表象，促进“分子间作用力”等抽象概念的科学建构，加深对同系物和同分异构体概念内涵的深度理解，较好地发展了学生的宏观辨识与微观探析及证据推理的核心素养。
参考文献：
[1]王西宇， 钱扬义， 黄乐显. 应用手持技术数字化实验比较“丙二醇的两种同分异构体”分子间作用力大小[J]. 化学教育， 2020， 41（17）：
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[2]王立新， 钱扬义， 苏华虹等. 手持技术数字化实验与化学教学的深度融合：
从“研究案例”到“认知模型”——TQVC概念认知模型的建构[J]. 远程教育杂志， 2018， 36（4）：
104～112.
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[7]林丹萍， 钱扬义， 王立新等. 手持技术数字化实验支持下的抽象化学概念学习——以探究比较丁醇同分异构体的分子间作用力大小为例[J]. 化学教育， 2020， 41（1）：
74～78.
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[8]白涛， 冉甜， 谢乐欣. 基于温差测量的数字化实验两则[J]. 化学教学， 2017， （12）：
54～55.
