针对 MiLABTM 的化学实验
第一版 2013 年 11 月出版
|1| 未经 Fourier 系统同意，严禁对本书进行销售或再版。@Fourier Systems 版权所有
目录 传感器实验
3
前言
5
1. 酸碱滴定法：氢氧化钠与氯化氢的反应
2. 放热反应：氢氧化钠在水中的溶解
3. 氧化还原反应：氯化铜与铝
4. 吸热反应：硝酸铵在水中的溶解
5. 吸热反应：氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合
6. 吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打的反应
7. 催化作用：过氧化氢在二氧化锰环境下的分解
8. 大气压力和大气温度下的变化效应：混合气体定律
9.
盖斯定律：化学中的能量守恒
10. 燃烧热
11. 海水的导电性
12. 探究一种火焰
13. 水的凝固与融化
14. 再看凝固温度
|2|
15. 食物的能量含量
16. 燃料的能量含量
|3|
传感器实验 导电性
11. 海水的导电性
酸碱度
1. 酸碱滴定法：氢氧化钠与氯化氢的反应
2. 放热反应：氢氧化钠在水中的溶解
压力（150-1150 毫巴）
7.
化学晶体：过氧化氢在二氧化锰环境下的分解
8. 大气压力和大气温度下的变化效应：混合气体定律
16. 燃料的能量含量
温度（-40ºc 至 140ºc）
1. 酸碱滴定法：氢氧化钠与氯化氢的反应
2. 放热反应：氢氧化钠在水中的溶解 3. 氧化还原反应：氯化铜与铝
|4|
4. 吸热反应：硝酸铵在水中的溶解
5.
吸热反应：氢氧化钡晶体与硫酸氢铵晶体的混合
6. 吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打的反应
8. 大气压力与大气温度下的变化效应：混合气体定律 9. 盖斯定律：化学中的能量守恒
10. 燃烧热
13. 水的凝固与融化
14. 再看凝固温度
15. 食物的能量含量
温度（0 ºc 至 1250 ºc）
12. 探究一种火焰
|5|
前言 本书包含了为学生准备的 16 个化学实验，都是为使用 MiLAB™和 einstein™ 传感器而设计的。 MiLAB™是预先安装在 einstein™Tablet 上的，或也可被安装在任何安卓或 IOS 系统的平板电脑上，并 与 LabMate™配对。MiLAB™的最新版本可从傅立叶教育网站(http://fourieredu.com)下载。 为了便于您的使用，我们已添加了索引。在索引中，实验依据传感器进行了分类。
einstein™Tablet+和 einstein™LabMate™设备 The einstein™Tablet includes the following: einstein™Tablet 包含以下配置： 8 个内置传感器： 心率传感器：0-200 次每分钟 亮度传感器：0-600 勒克斯、0-6000 勒克斯、0-150000 勒克斯 相对湿度传感器：范围：0-100%
温度传感器：-30°C 至 50°C 紫外线传感器：10 瓦/平方米、200 瓦/平方米，紫外线波长 290-390 毫米 全球定位系统 1. 话筒传感器（声音） 重力传感器（加速计） + 4 个以上的外置传感器端口
einstein™LabMate 包含以下配置： 6 个内置传感器：
|6|
|前言|
心率传感器
温度传感器
湿度传感器
压力传感器
紫外线传感器
亮度传感器
+ 4 个以上的外置传感器端口 将传感器线缆插入这些设备的一个传感器端口，外置传感器就可与这些设备中的任一台相连接。
|7|
|前言|
使用 einstein™LabMate 为了在非 einstein™设备上使用 MiLAB™，您必须首先通过蓝牙将 MiLAB™与 einstein™LabMate 进行配 对。
与一台装有安卓系统的设备配对 1.
确保 einstein™LabMate 开启，且未与其他任何设备配 对。
2.
先在您的平板电脑上选择主菜单按钮，再选择系统设 置图标。
3.
选择蓝牙关闭/开启按钮即可开启蓝牙。
4.
一旦蓝牙设置开启，该设备将开始搜索蓝牙设备。
5.
einstein™LabMate 一经找到，就会出现在可用设备列 表中。
6.
选择连接 einstein™LabMate。蓝牙配对请求后，您的 设备会显示出一条快速配对信息。
7.
选择配对即同意配对执行。
8.
一旦配对成功，einstein™LabMate 会出现在已配对设 备中。
9.
注意：请保持耐心。由于每一台设备是不同的，配对 时间会在几秒至几分钟之间变化。
|8|
|前言|
取消配对
1.
在装有安卓系统的设备上，依次选择主菜单按钮、系统设 置图标、蓝牙。
2.
选择列示在已配对设备下、einstein™LabMate 旁的图标。
3.
一个新的窗口--重新命名和取消配对窗口会显示出来，选 择取消配对即可。
与安装有 iOS 系统的设备配对
1.
确保 einstein™LabMate 开启，且未与任何其他设备配对。
2.
选择设置
3.
选择蓝牙关闭/开启按钮即可打开蓝牙。
4.
一旦蓝牙设置开启，该设备将开始搜索蓝牙设备。
5.
einstein™LabMate 一经找到，就会出现在可用设备列表中。
6.
选择连接 einstein™LabMate。 一经配对成功，“已连接”字样将会出现在 einstein™ Lab Mate 选项旁。
取消配对 1.
选择设置
2.
选择已配对的 einstein™LabMate。
|9|
|前言|
使用 MiLAB 中的图表 本书中的实验都需要使用 MiLAB 进行结果分析。
理解图表 MiLAB 中的一般图表，表示来自于一个或多个传感器相对于时间的数据。沿 Y 轴（垂直轴）的是感 应器，沿 X 轴（水平轴）的是时间。 默认情况下，MiLAB 中的图表自动标尺，意味着您可以看到整个的显示图表。 要放大图表的一个部分，请触摸屏幕中的此处并打开两指。 要缩小则将两指收拢即可。
收拢两指可缩小
打开两指可放大
注意：沿 X 轴或 Y 轴打开和收拢两指，您也可以在这些轴上进行放大或缩小。 双击图表即可返回原始自动标尺图表。 您也可以通过触摸和拖动图表或轴线对它们进行移动。
分析图表 分析包含在图表中的信息，这是 MiLAB 最重要和强大的功能之一。 要分析一张图表： 开展一个实验。 为了使用 MiLAB 的分析功能，您必须选择图标上的至少一个点—就是我们所知道的光标。部分功 能需要两个光标。 注意：如果您正在使用一个以上的传感器，两个点必须是在同一条图线上。
| 10 |
|前言|
光标的使用 在一张图表上，您可以最多同时显示两个光标。 用一个光标显示单个数据纪录值、选择一条曲线或，如果您使用了三个或以上的传感器，可用它显 示隐藏的 Y 轴。 使用两个光标对图表上的数据进行分析。 显示第一个光标： 在图表视图中，轻击图线的任一点。MiLAB 会立即显示其坐标值。
显示第二个光标： 一旦第一个光标被定位，轻击同一条图线上的任一点即可显示出第二个光标。
当有两个数据点被选中时：这两个点的差值将出现在图表窗口的底部。
| 11 |
|前言|
dX 指的是 X 轴上两点间的相差值。 、 dY 指的是 Y 轴上两点间的相差值。 移动一个光标 触摸并按住一个光标，再在一条单一图线上向左和向右拖动它即可。 轻击一个不同传感器产生的图线，就可将光标移动到那条图线上。 移除光标： 轻击并按住一个光标快速地将它从屏幕的任意方，向拂去，该光标就会从图线上消失。
函数的使用 一旦您选择了一个光标，就会激活函数按钮(
)。
触摸函数按钮即可进入您可使用的工具列表。
触摸这些工具中的任一项即可应用该函数。 您选择了一个函数后，一个显示函数结果的新图线会出现在图表上。 部分函数，比如减法，要求您对两条图线进行对比。为了对比两条图线： 将两个光标定位在任一条图线上。
| 12 |
|前言|
触摸函数按钮(
触摸您想使用函数旁边的设置按钮(
在设置菜单中，G1 将会是您选择的绘图线。
)。 )。
使用 G2 下拉菜单，即可选择您想要与之比较的图线。
轻触 OK 键。
一条显示比较结果的新图线将出现在图表上。
实验布局
每一个实验都包含以下部分：
介绍：概念和理论的一个简单描述
器材：实验所需的器材
设备设置：用详细的图示对设备的组合进行指导。
数据记录器设置：推荐的设置
步骤：对实验开展的分步骤说明。
数据分析
问题
进一步的建议
密封 本书中的部分实验，尤其是那些涉及到压力测量的实验，都要用到密封的烧瓶或试管。下面就是为
| 13 |
|前言|
了确保这些实验顺利进行的一个说明。
注意：为了确保密封，您可能需要用到一种材料来封住所有开口，比如纸粘土。
注意：您可能想要考虑购买 einstein™压力仪表工具，这些工具是专门为这些类型的实验所设计的。 一旦您已密封了烧瓶或试管，您就可以对这些密封的容器进行测试了。 1. 2.
轻击开始按钮(
)即可开始记录数据。
(如果您的设置包括三通阀)旋转三通阀，使来自周围空气的自由气流进入。 当前的读数应显示为大气压力。
3.
(如果您的设置包括三通阀)旋转三通阀，使系统与周围空气隔绝。
4.
按住塞子。压力值应先升高一些，然后再保持不变。
| 14 |
Pressure (mbar)
|前言|
如果压力值下降（见下图），说明有泄漏。仔细检查您的密封，用一种材料，比如纸粘土，对 所有可能的开口进行密封。重复步骤 4。如果没有改善，更换塞子。
6.
在您对容器的密封感到满意后，轻击停止按钮(
Pressure (mbar)
5.
)。
安全预防措施
在科学教室里，按照实验室活动的标准安全程序进行操作。
必须要采取适当的安全保护措施，以保护本书所描述的实验过程中的老师和学生。
要将每一个安全预防措施或警示都包含在内是不可能的！
傅立叶教育不对本书中设备、材料或描述内容的使用承担责任。
| 15 |
第一章
酸碱滴定法： 氢氧化钠与氯化氢的反应
Figure 1 图1
介绍
在水溶液中，加碱可导致溶液中酸碱度的升高，而酸的添加则会引起酸碱度的下降。酸碱度的改变 可以用被称为指示剂的特定染料，或一支 PH 电极所跟踪。酸与碱会中和，或逆转另一个的作用。 通过向碱性溶液中添加已知量的酸，到它们完全中和为止，碱的含量就可以被测定出来。这一过 程被称为：酸碱滴定法。中和过程中，酸与碱相互作用，生成离子化合物，称为盐。 本实验中，当一种酸(盐酸)被添加进一种碱基(氢氧化钠)溶液时发生的酸碱度和温度的改变，可以 使用一支 PH 电极和一支温度传感器进行跟踪。
| 16 |
|酸碱滴定法： 氢氧化钠与氯化氢的反应|
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/iOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 一支 PH 传感器和电极 一支温度传感器(-40°C 至 140°C) 一支聚苯乙烯材质的咖啡杯 容量为 50 毫升的滴管 一支玻璃漏斗 当量浓度为 0.5N 的氢氧化钠 50 毫升(近似) 当量浓度为 1N 的氯化氢溶液 100 毫升 防护眼镜和手套 电磁搅拌器和搅拌棒
设备设置步骤
2.
开启 MiLAB™ 应用程序(
3.
.将 PH 电极连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的任一端口。
4.
连接温度传感器到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的任一端口。
5.
选择酸碱度传感器和温度传感器。
6.
按照图 1 中的图示对设备进行组合。
)。
数据记录器设置
指令传感器按以下设置记录数据： 酸碱度 温度（-40°C 至 140°C ）
| 17 |
|酸碱滴定法： 氢氧化钠与氯化氢的反应| 速度：
每秒
时长：
2000 秒
实验步骤
一直要带上防护眼镜。 1.
聚苯乙烯材质的咖啡杯准备一支同样材质的杯盖。杯盖应是扁平的，且要比咖啡杯的周长大(见 图 1)
2.
在杯盖上刺三个孔：一个用于 PH 电极，另一个用于温度传感器，还有一个用于玻璃漏斗。
3.
把电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向咖啡杯中加入 50 毫升 0.5N 的氢氧化钠溶液。
5.
把咖啡杯放置在电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖。
7.
开始搅拌咖啡杯中的氢氧化钠溶液。
8.
选择运行按钮(
9.
等待，直到传感器的读数稳定不变。
)开始记录数据。
10. 通过玻璃漏斗，用滴管一滴一滴地向杯中添加 1N 的氯化氢溶液。 11. 在多功能实验室软件的图表窗口，跟踪酸碱度和温度的变化。 12. 酸碱度刚开始变化时，停止滴入氯化氢，并记录至酸碱度开始变化时的氯化氢用量。 13. 重新一滴一滴地添加氯化氢，并仔细跟踪酸碱度的变化。 14. 酸碱度水平一经稳定就停止滴入氯化氢。 15. 选择保存按钮(
)对您的数据进行保存。
| 18 |
|酸碱滴定法： 氢氧化钠与氯化氢的反应|
数据分析
1.
在图表中，选择溶液的初始 PH 值和最终 PH 值。
2.
中和过程中的 PH 值是如何变化的？当 PH 值开始改变时，加入的氯化氢量是多少？将这一用量 同氯化氢与氢氧化钠完全中和时添加的氯化氢用量进行比较。
3.
在图表中，选择 PH 值开始改变的时间，再选择中和的时间。这一过程用了多长时间？
4.
在图表中，选择初始温度和最终温度，温度变化了多少？
5.
计算反应热 Q (1) Q mcT 此处：
m=水的质量
Cp = 稳定压力下，水的热容量 ΔT = 温度的变化 注意：水在 25°C 的比热容是 4.18（焦耳每克摄氏度）。
本实验所得出图表的一个样图如下所示： pH
pH
Temperature (0C)
Temp
Figure 2 图2
| 19 |
|酸碱滴定法： 氢氧化钠与氯化氢的反应|
问题
1.
你观察到了一次快速的酸碱度变化吗？解释酸碱度剧烈变化完成所需的短时间间隔与完全中和 过程所需时间间隔的差异。
2.
中和反应是一次放热还是吸热反应呢？你的结论应建立在你所进行实验的基础之上。
3.
如果你用不同浓度的氢氧化钠在咖啡杯中做酸碱滴定法实验，会发生什么呢？试着做出预测。 在每个实验中，酸碱度的改变是多少？温度的变化范围又会是多少？
4.
其他酸（比如，醋酸）与氢氧化钠反应的效果会是怎样的？
进一步的建议
1.
使用不同浓度的氢氧化钠与浓度不变的氯化氢进行反应。
2.
计算滴定后的氢氧化钠(或氯化氢)的未知浓度。可以通过将滴管中酸(或碱）的流速设置为恒定 来实现这一点。使用这一流速和来自于你图表中的时间数据，即可计算出添加到溶液中滴定剂 的量。
3.
用不同类型的酸和/或碱进行酸碱滴定实验：一种弱酸与一种强碱，和一种强酸与一种弱碱。
| 20 |
第二章
放热反应： 氢氧化钠在水中的溶解
Figure 1 图1
介绍 几乎所有的化学反应都包含了热量的释放或吸收。这些反应被分类为放热反应或吸热反应。一次放 热反应过程是一种化学反应。在这种反应中，产生的热量被释放。当我们在一个烧瓶中进行一次放 热反应时，烧瓶开始是温暖的。稍后，烧瓶中的热量流入到周围空气中，直到烧瓶内外的温度平衡 被建立起来为止。热量计是用来测量一个化学反应中被吸收或产生热量的工具。 反应的热量可从下面的方程式计算而来： (1) q = Ct 此处： Q =释放或吸收的热量 m =物质的质量
| 21 |
|放热反应： 氢氧化钠在水中的溶解| C =物质的热容量 T =温度的变化量
本实验中，我们跟踪氢氧化钠在水中溶解过程中发生的温度变化。一支聚苯乙烯材质的咖啡杯将被 用作热量计。
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/iOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 酸碱度传感器 温度传感器（-40°C 到 140°C） 聚苯乙烯材质的咖啡杯 10 克氢氧化钠 电磁搅拌器和搅拌棒 防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™ 应用程序(
2.
将酸碱度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的任一端口上。
3.
连接温度传感器到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的任一端口。
)。
数据记录器设置 指令传感器按以下设置记录数据： 酸碱度（0-14） 温度（-40°C 到 140°C ） 速度：
每秒
时长：
5000 秒
| 22 |
|放热反应： 氢氧化钠在水中的溶解|
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
为聚苯乙烯咖啡杯准备一支同样材质的杯盖。杯盖应是扁平的，且要大于咖啡杯的周长（见图 1）。
2.
在杯盖上刺两个孔：一个用于 PH 电极，另一个用于温度传感器。
3.
将电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向咖啡杯中倒入 100 毫升的自来水。
5.
将咖啡杯放置在电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，只留出一个小口，以便添加氢氧化钠。
7.
开始搅拌咖啡杯里的水。
8.
选择运行按钮(
9.
等待，直到传感器的读数稳定不变。
)即可开始记录数据。
10. 开始搅拌咖啡杯中的水。 11. 向杯中加入 2 克氢氧化钠晶粒并立即调整杯盖，以便尽可能好地密封咖啡杯。 12. 跟踪所记录的酸碱度和温度的变化，直到读数稳定不变。 13. 选择停止按钮(
)即可停止数据的收集。
14. 选择保存按钮(
)对您的数据进行保存。
数据分析 1.
溶解过程中，酸碱度是如何变化的？ 在图表中，先使用光标选择初始酸碱度值，再选择最终酸碱度值。 a.
记录两个值之间的差值。
b.
记录达到最终酸碱度值所用的时间。
c.
记录两个酸碱度值之间的差值。
| 23 |
|放热反应： 氢氧化钠在水中的溶解| 2.
在图表中，用光标测定实验过程中的温度变化。
3.
用你测定的温度变化量(T)和公式 1 计算出反应的热量。
注意：水在 25°C 的比热容是 4.18（焦耳每克摄氏度）。
本实验所得出图表的一个样图如下所示：
Temp pH
Temperature (0C)
pH
Figure 2 图2
问题 1.
酸碱度变化快吗？比较酸碱度变化和温度变化所用的时长。
2.
解释酸碱度变化所需时长与温度变化所需时长之间的差异。
3.
氢氧化钠的溶解是一个放热还是吸热反应？是一个激烈的反应吗？您的结论应建立在对您所开 展实验进行观察的基础之上。
4.
如果您向水中加入不同量的氢氧化钠，溶解的结果是什么？尝试猜测一下。每次实验中的酸碱 度变化又会是什么？温度变化的范围会是什么呢？
| 24 |
|放热反应： 氢氧化钠在水中的溶解|
进一步的建议 1.
在水中溶解不同量的氢氧化钠。跟踪每次实验中的酸碱度和温度变化。计算每次实验中的反应 热量。
2.
检测水的酸碱度对氢氧化钠溶解的影响。跟踪缓冲溶液中的反应热量。或者，溶解氢氧化钠前， 在水中溶解氢氧化钾或氢氧化铵。
3.
再做一次放热反应实验。在水中溶解无水硫酸铜（白水晶）。硫酸铜溶于水会形成蓝色的水合 铜离子。
| 25 |
第三章
氧化还原反应：氯化铜与铝
Figure 1 图1
介绍
氧化还原反应包含了电子在原子间的 转移。失去一个电子的化合物称为被氧化物，获得电子的则称为被 还原物。 一种被氧化的化合物被称为还原剂，而一种被还原的化合物则被称为氧化剂。 氧化值是一个数字，它等同于化合价或一粒原子所能形成的结合力数字，且附加有一个表示电子丢失的 加号，或表示电子增加的减号。因此，氯在盐酸中的氧化值是-1，而在次氯酸中的氧化值则是+1。类似 地，我们可以说氯在氯酸中的氧化值是+5，而在高氯酸中的氧化值则为+7。 本实验中，我们会跟踪发生在氧化还原反应中的温度变化：
| 26 |
|氧化还原反应：氯化铜与铝|
(1)
0 0 − 3+ − 3Cu2+ (aq) + 6Cl(aq) + 2Al(s) → 3Cu(s) + 2Al(aq) + 6Cl(aq)
铝、即 Al，被氧化为 Al3+，而 Cu2+则被还原为 Cu。 反应热量可以从以下方程式计算而来： (2)
q = Ct
在此：
Q =被释放或吸收的热量 m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/iOS 系统平板电脑和 einstein™ LabMate
温度传感器（-40°C 至 140°C）
聚苯乙烯材质的咖啡杯
5 克氯化铜
电磁搅拌器和搅拌棒
铝箔
防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™ 应用程序(
2.
.将温度传感器连接到 einstein™ Tablet+或 einstein™ LabMate 的任一端口上。
)。
| 27 |
|氧化还原反应：氯化铜与铝|
3.
确保只选择了温度传感器。
4.
按照图 1 的图示对设备进行组合。
数据记录器设置 指令传感器按以下设置记录数据： 温度（-40°C 到 140°C ） 速度：
每秒
抽样：
200 个抽样值
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
为聚苯乙烯咖啡杯准备一支同样材质的杯盖。杯盖要是扁平的，且要大于咖啡杯的周长。
2.
在杯盖上刺一个孔，用于放置温度传感器（见图 1）。
3.
将电磁搅拌棒放置在咖啡杯里。
4.
向咖啡杯中倒入 50 毫升自来水，并将电磁搅拌棒放置到杯中。
5.
将咖啡杯置于电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，只留出一个小口，以便添加氯化铜。
7.
开始搅拌杯中的水。
8.
选择运行按钮(
9.
加入 5 克的氯化铜晶粒到杯中，并立即更换杯盖，以便杯子能尽可能地密封好。
)开始记录数据。等待，直到传感器读数稳定不变。
10. 将铝箔放入杯中，并立即更换杯盖，以便杯子能尽可能地密封好。
| 28 |
|氧化还原反应：氯化铜与铝|
11. 跟踪设备上记录的温度变化，直到没有观察到进一步的温度变化为止。 12. 选择停止按钮(
13. 选择保存按钮(
)停止收集数据。
)，对您的数据进行保存。
数据分析 1.
在图表中选择出实验开始和结束时的温度。两者的差值是多少？在氧化还原反应中，温度是如何变 化的？反应到达最终温度所用的时间是多长？
2.
用方程式 2 计算出反应热。
注意：水在 25°C 时的比热容是 4.18（焦耳每克摄氏度）。
Temperature (0C)
本实验所得出的温度-时间曲线的一个样图如下所示：
Figure 2 图2
问题
1.
？铝箔的颜色有什么变化？
| 29 |
|氧化还原反应：氯化铜与铝|
2.
写出发生的反应及单独的铜和铝氧化还原反应的方程式。
3.
被还原的物质是哪种？被氧化的物质是哪种？
进一步的建议
1.
.在氯化铜溶液中放入一块铁片。写出发生的反应及单独的氧化还原方程式。
2.
将一片金属锌放入稀释的盐酸中。氢气被释放出来。 写出总的反应方程式及该反应单独的氧化还原方程式。被还原的是哪种物质？被氧化的是哪种物质？
| 30 |
第四章
吸热反应：硝酸铵在水中的溶解
Figure 1 图1
介绍
一次吸热过程是一次化学反应。在反应中，热量被吸收。我们在烧瓶中开展一次吸热反应时，烧瓶 起初是冷的。稍后，来自周围气流中的热量进入烧瓶，直到烧瓶内外的温度平衡被建立起来。 本实验中，我们跟踪硝酸铵晶粒在水中溶解过程中，所产生的温度变化。 反应热量可通过以下方程式计算而来： (1) q = Ct 此处：
Q =释放或吸收的热量
| 31 |
| 吸热反应：硝酸铵在水中的溶解|
m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate
温度传感器(-40°C 到 140°C)
5 克硝酸铵
聚苯乙烯材质的咖啡杯
电磁搅拌器和搅拌棒
防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™ 程序按钮(
2.
将温度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的任一端口上。
3.
确保只有温度传感器被选中。
4.
按图 1 的图示组合设备。
)。
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度(-40°C 至 140°C ) 速度：
每秒
| 32 |
| 吸热反应：硝酸铵在水中的溶解|
500 秒
时长：
实验步骤 一直要带上防护眼镜 1.
为聚苯乙烯材质的咖啡杯准备同样材质的杯盖一支。杯盖要是扁平的，且大于咖啡杯的周长。
2.
在杯盖上刺一个孔，插入温度感应器。
3.
将电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向杯中倒入 50 毫升自来水。
5.
将咖啡杯放置于电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，但要留出一个小口，以便添加硝酸铵。
7.
开始搅拌杯中的水。
8.
选择运行按钮(
9.
等待，直到传感器的读数稳定不变。
)，开始记录数据。
10. 向杯中加入 5 克硝酸铵，并立即更换杯盖，以使杯子能尽可能地密封好。 11. 跟踪设备上记录的温度变化，直到没有观察到进一步的温度变化为止。 12. 选择停止按钮(
)，停止收集数据。
13. 选择保存按钮(
)保存您的数据。
数据分析
1.
使用光标在图表中选出开始时的温度和结束时的温度。
2.
在硝酸铵溶解于水的过程中，温度是如何变化的？
3.
两个温度之间的差值是多少？
4.
反应达到最终温度所用的时间是多长？
| 33 |
| 吸热反应：硝酸铵在水中的溶解|
5.
用等式 1 计算出反应热。
注意：水在 25 摄氏度的比热容是 4.18 焦耳每克摄氏度。
Temperature (0C)
本实验所获得的温度-时间曲线的一个样图如下所示：
Figure 2 图2
问题
1.
硝酸铵溶解于水是哪种化学反应？您的结论应建立在对您所进行试验的观察之上。
2.
试着预测把不同量的硝酸铵溶解于水的结果。温度变化会受到怎样的影响？
3.
硝酸铵溶解前，让水升温会带来什么样的影响？让水降温又会带来什么样的影响？
进一步的建议 1.
将不同量的硝酸铵溶解于水。跟踪每一次实验的温度变化。计算出每一次实验的反应热。
2.
检测升高和降低初始水温对硝酸铵溶解的影响。
| 34 |
第五章
吸热反应： 氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合
Figure 1 图1
介绍 当两种晶态物质 Ba(OH)2 8HO 与 NH4SCN 在烧瓶中彻底混合时，热量的吸收或吸热反应就发生了： (1)
Ba(OH)2 ∙ 8H2 O + 2NH4 SCN ⟶ Ba(SCN)2 + 2NH3 + 10H2 O 4
可以很容易地检测到本反应中所形成的气态物质氨，因为它具有刺激性气味。 如果把触摸起来感觉非常凉的这个烧杯放置在覆盖有一层薄薄的水的板子上，烧瓶和板子会凝固在 一起。 本实验中，我们跟踪氢氧化钡与硫氰酸铵以晶态形式混合时所产生的温度变化，还进行了反应用烧 瓶与板子凝固在一起的实验。
| 35 |
| 吸热反应： 氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合|
反应热可由下面的等式计算而来： (2) q = Ct 此处：
Q =释放或吸收的热量 m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate
温度传感器(-40°C 到 140°C)
2 克 Ba(OH)2 ·8H2O
4 克硫氰酸铵
大小约为 5 cm x 5 cm 的木板或塑料板
10 毫升玻璃烧瓶
10 厘米玻璃棒
防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™应用程序按钮(
2.
将温度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只有温度传感器被选中。
)。
| 36 |
| 吸热反应： 氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合|
4.
按图 1 的图示组合设备。
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C ) 速度：
每秒
时长:
200 秒
实验步骤
要一直带上防护眼镜。 1.
把水倒在板子上，直到板子被覆盖上薄薄的一层水。
2.
在一支 100 毫升的玻璃烧瓶中，放入称量好的 2 克 Ba(OH)2 8H2O。
3.
将温度传感器放进加入了氢氧化钡晶体的烧瓶中。
4.
称量 4 克硫氰酸铵。
5.
选择运行按钮(
6.
等待，直到温度传感器的读数稳定不变为止。
7.
向装有 Ba(OH)2 8H2O 的烧瓶中加入称量好的硫氰酸铵。
8.
照图 1a 所示，将烧瓶放置在覆盖了水的那块板子上。
)，开始记录数据。
| 37 |
| 吸热反应： 氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合|
Figure 1a 图 1a 1.
用玻璃棒彻底混合烧瓶中的物质。
2.
跟踪烧瓶中的温度变化，直到没有观察到进一步的温度变化为止。
3.
温度稳定时，选择停止按钮(
4.
选择保存按钮(
5.
试着从板子上取走烧瓶。
)即可停止数据的记录。
)对您的数据进行保存。
数据分析 1. 2.
先选择图表中的初始温度，再选择最终温度。本化学反应中的温度是如何变化的？两个温 度之间的差值是多少？ 反应达到最终温度所用的时间是多长？ 计算反应热。
注意：水在 25 摄氏度的比热容是 4.18 焦耳每克摄氏度。 3.
描述一下您尽力拿起烧瓶时的情形。
本实验所得出温度-时间曲线的一个样图显示在以下的图表中。
| 38 |
Temperature (0C)
| 吸热反应： 氢氧化钡晶体与硫氰酸铵晶体的混合|
Figure 2 图2
问题
1.
您观察到烧瓶中的温度发生了什么变化？对您的结论做出解释。
2.
烧瓶中发生的是哪种化学反应？
3.
对您尽力拿起烧瓶时所发生的情形进行解释。
进一步的建议 1.
改变 Ba(OH)2 8H2O 和硫氰酸铵的相对用量，并跟踪每一次实验的温度变化。
2.
再做一次吸热实验：硝酸钾溶解于水（25 克硝酸钾溶于 50 毫升水中）
3.
用一支压力传感器跟踪铵在反应中的释放速度。用这种方法可以测量出反应的速度。
| 39 |
第六章
吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打
Figure 1 图1
介绍
一个吸热反应是一种化学反应。在反应中，热量被吸收。我们在烧瓶中进行吸热反应时，烧瓶开始是凉 的。稍后，来自周围气流的热量进入烧瓶中，直到温度平衡在烧瓶内外建立起来为止。 本实验中，我们跟踪柠檬酸水溶液与小苏打反应过程中发生的温度变化。
(1) H3 C6 H5 O7 (aq) + 3NaHCO3 (s) ⟶ 3CO2 (g) + 3H2 O + Na 3 C6 H5 O7 (aq)
| 40 |
|吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打|
反应热可以通过下面的方程式计算出来： (2) q = Ct 此处：
Q =释放或吸收的热量 m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 平板电脑和 einstein™LabMate
温度传感器(-40 °C 到 140 °C)
柠檬酸水溶液 25 毫升
小苏打 15 克
聚苯乙烯材质的咖啡杯
电磁搅拌器和搅拌棒
防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™ 程序按钮(
2.
将温度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只用温度传感器被选中。
4.
照图 1 的图示组合设备。
)。
| 41 |
|吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打|
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
500 秒
实验步骤
要一直带上防护眼镜。 1.
为聚苯乙烯材质的咖啡杯准备同样材质的杯盖一支。杯盖应是扁平的，且比咖啡杯的周长大。
2.
在杯盖上刺一个孔并插入温度传感器。
3.
将电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向咖啡杯中倒入柠檬酸水溶液 25 毫升。
5.
将咖啡杯放置于电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，但要留出一个小口，以便于加入小苏打。
7.
开始搅拌咖啡杯中的水溶液。
8.
选择运行按钮(
9.
20 秒后，向杯中加入小苏打，并立即更换杯盖，以确保杯子被密封。
)即可开始记录数据。等待，直到传感器的读数稳定不变。
10. 跟踪设备上记录的温度变化，直到没有观察到进一步的温度变化为止。 11. 选择停止按钮(
)即可停止数据的收集。
12. 选择保存按钮(
)，对您的数据进行保存。
| 42 |
|吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打|
数据分析
1.
先选择出图表上的初始温度，再选择出最终温度。该化学反应期间，温度是如何变化的？这两个温 度值之间的差值是多少？
2.
该反应达到最终温度所用的时间是多长？
Temperature (0C)
下面显示的是本实验所获得温度-时间曲线的一个样图：
Figure 2 图2
问题
1.
柠檬酸水溶液与小苏打混合时发生了哪种化学反应？您的结论应建立在对您所开展实验观察的基础 之上。
2.
尝试对不同量的小苏打与柠檬酸水溶液混合时的结果做出预测。温度变化的范围是多少？
进一步的建议 1.
改变柠檬酸和小苏打的相对用量。跟踪每一次实验的温度变化。计算出每一次实验的反应热。
| 43 |
|吸热反应：柠檬酸水溶液与小苏打|
2.
用二氧化碳传感器跟踪二氧化碳在反应中的释放速度。
| 44 |
第七章
化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解
Figure 1 图1
介绍
催化剂是一种能提高反应速度的化学品。这个过程被称为催化作用。一种催化剂参与到一次反应中， 但它并不被反应所消耗掉。催化剂一步进入反应，再一步重新生成。 一份纯的过氧化氢溶液是稳定的。但当一种催化剂，如二氧化锰、铂系金属或铁离子 Fe+2 被添加进 去时，它会快速地分解水和氧分子。
MnO2
| 45 |
|化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解| (1)
2H2O2
2H2O + O2
本实验中，我们使用压力感应器，对过氧化氢在二氧化锰环境下分解所导致的氧分子释放进行跟踪。
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate
压力传感器两只（150 – 1150 毫巴）
三通阀两个
10 毫升玻璃瓶两个
橡胶软木塞两个，每瓶一个。
2 毫升的塑料注射器一支
20 口径的注射器针头三支
短乳胶管三支
3%的过氧化氢溶液
少量的二氧化锰晶体
防护眼镜
设备设置步骤
1.
开启 MiLAB™应用程序按钮(
2.
连接压力传感器到 einstein™Tablet 或 LabMate 的端口上。
3.
选择压力传感器。
4.
按照图 1 的图示对设备进行组合。
5.
将一个注射器针头（20 口径）通过软木塞插入到瓶中，直到针头顶端稍稍穿过软木塞即可。
6.
通过露在软木塞上端面的注射器针头的另一端，连接一个与压力传感器相连的三通阀。
)。
| 46 |
|化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解| 7.
转动阀门，直到它的开口朝向垂直方向。在这一位置，空气可以通过阀门流入烧瓶。
8.
将另外一支针头插入其中一个软木塞。稍后，一支装满 3%过氧化氢溶液的注射器会连接在这支 针头上。
9.
为了这个实验，两支烧瓶都必须是密封的。了解更多信息，请看：密封。
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 压力(150 – 1150 毫巴) 速度：
每秒
时长：
500 秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
用标签 1 和 2 对瓶子进行标示。
2.
将 2 毫升 3%的过氧化氢溶液装入塑料注射器。
3.
向瓶 1 中加入 8 毫升的水和 2 毫升 3%的过氧化氢溶液。
4.
向瓶 2 中加入 8 毫升水和少许二氧化锰晶体。轻轻混合。
5.
用塑料软木塞将两只瓶子塞紧。
6.
将装满了过氧化氢溶液的注射器，通过经软木塞插入瓶 2 的另一针头与瓶 2 相连。
7.
选择运行(
8.
跟踪计算机上记录的压力水平。
9.
.检查烧瓶中的空气处于大气压力下（约为 1000 毫巴）。
)按钮即可开始数据的记录。
10. 向瓶 2 中注入过氧化氢溶液，并立即转动两支瓶子的三通阀，以停止空气通过它们流动。 11. 跟踪试验期间，计算机记录的压力变化。 12. 选择停止按钮(
)，停止数据记录。
| 47 |
|化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解|
13. 选择保存按钮(
)即可保存您的数据。
数据分析 1.
选择一张图表中的初始压力和最终压力。在另一张图表上也这样做。
2.
在每个瓶中，压力是如何变化的？
3.
找出两组压力值的差异。
4.
计算过氧化氢分解反应的速度。用实验烧瓶的压力曲线减去控制烧瓶的压力曲线，创建一张不 同的图表。 a.
从添加有二氧化锰烧瓶的反应图线中，用光标选择图线的首尾两点。
b.
选择函数(
c.
在函数下拉菜单中，选择减法方程选项旁的设置按钮(
d.
在 G1 下拉菜单里，选择压力（从有二氧化锰的烧瓶）。在 G2 下拉菜单中，选择压力（从
)。
控制烧瓶）。 e.
选择新的绘图线。
f.
选择函数。
g.
从函数菜单中选择线性拟合。
h.
拟合线的斜率就是净反应速度。
下面显示的是本实验所获得曲线的一个样图：
| 48 |
)。
Pressure (mbar)
|化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解|
Figure 3 图3
问题
1.
过氧化氢的分解给压力带来了怎样的影响？
2.
对比两支烧瓶中的压力变化。您观察到烧瓶 1 中的变化吗？烧瓶 2 中的呢？解释它们的区别。
3.
哪一个烧瓶起到了控制的作用？解释理由。
4.
本实验中，为什么需要一个控制系统？
5.
添加二氧化锰对两支烧瓶的影响是什么？
6.
按反应速度增加二氧化锰的添加量会有什么影响？
7.
实验中，升高两支瓶子的温度，会对过氧化氢的分解速度带来什么影响？
进一步的建议
1.
向反应混合物中增加二氧化锰的添加量，跟踪各次反应。
2.
计算每次实验的反应速度。
3.
对比不同类型化学催化剂的效果：溴化氢、碘化氢、2 价贴离子 Fe+2、铂系金属。
| 49 |
|化学催化作用： 过氧化氢在二氧化锰环境下的分解|
4.
改变添加到反应混合物种的过氧化氢浓度。比较反应物浓度在反应速度和催化速度方面的影响。
5.
跟踪反应中发生的温度变化。评估温度对过氧化氢分解速度的影响。
| 50 |
第八章
空气温度变化对气压的影响： 混合气体定律
Figure 1 图1
介绍
气体的体积 V 受到气体温度 T 的影响。按照查尔斯定律的表述，在固定压力下的一份气体样品的体 积会随着温度做线性增加。 𝑉∝𝑇 (1) (2)
𝑉 = 常数 𝑇
与波义耳定律合并的查尔斯定律可以用一种表述来表达—混合气体定律。 这一定律表述了特定量的气体所占有的体积与压力除以绝对温度的商成正比。
| 51 |
|空气温度变化对气压的影响： 混合气体定律| 𝑃𝑉 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑇 𝑃𝑉 = 常数 𝑇
(3)
本实验中，我们通过测量密封烧瓶中不变体积空气的温度升高对其压力的影响，调查了压力与温度 之间的联系，及他们对气体动态的影响。
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/iOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate
50 毫升的玻璃烧瓶
橡胶软木塞
20 口径的注射器针头两支
短乳胶管三支
三通阀
温度感应器(-40°C 到 140°C)
压力感应器(150 – 1150 毫巴)
支架
电磁搅拌器
防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™应用程序按钮(
2.
将压力传感器连接到 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
将温度传感器连接到 einstein™LabMate 的一个端口上。
4.
照下面图 2 的图示连接设备。
)。
| 52 |
|空气温度变化对气压的影响： 混合气体定律| 5.
将一支注射器针头（20 口径）通过软木塞插入，直到针头的顶端有少许露在软木塞外即可。
6.
在针头露在软木塞上端面外的另一端，连接一支三通阀。再把压力感应器与阀的另一端相连。
7.
在针头露在软木塞上端面外的另一端，连接一支三通阀。再把压力传感器与阀的另一端相连。
8.
转动阀，直到阀的开口是朝向水平方向的。在这一位置，烧瓶中的空气可以经阀门流向周围。
9.
为了这个实验，烧瓶必须要密封紧。了解更多信息，请看：密封
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 压力 (150 – 1150 毫巴) 速度：
每秒
时长：
500 秒
温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
500 秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
按照上图 1 的图示组合设备。
2.
在软木塞上刺一个孔，孔要大到足够将温度传感器的顶端插入进去。
3.
将电磁搅拌棒放入烧瓶中。
4.
在玻璃烧瓶中装入水。在瓶中留出少量体积的空气，以防止水接触到针头。
5.
将温度传感器插入软木塞的孔或软木塞上准备好的缝隙里。
6.
塞紧烧瓶，并开始搅拌。
7.
确保瓶中的压力等于大气压力（约为 1000 毫巴）。再转动阀门，以防止空气进入烧瓶。
| 53 |
|空气温度变化对气压的影响： 混合气体定律|
8.
选择运行按钮(
9.
跟踪屏幕上记录的压力变化。
)即可开始记录数据。
10. 开始加热烧瓶。将电磁搅拌器的加热按钮转动到中间位置。跟踪压力变化约 5 分钟。 11. 选择停止按钮(
)，停止收集数据。
12. 选择保存按钮(
)，对您的数据进行保存。
数据分析 比较压力变化和温度变化的规律：您找出了两者之间的任何相似之处吗？ 本实验所得出原始图表的一个样图显示如下：
̶ 1350 ̶ 1300 ̶ 1250 ̶ 1200
̶ 1100 ̶ 1000 ̶ 950 ̶ 900 ̶ 850 ̶ 800
Figure 3 图3
问题
1.
温度和压力方面的变化表现为一条非线性的曲线。为什么？
2.
如果让烧瓶在浴室中变热，曲线的形状会是怎样的？
3.
使烧瓶降温又会对压力有什么影响？
| 54 |
Pressure (mbar)
̶ 1150
|空气温度变化对气压的影响： 混合气体定律| 4.
假定烧瓶中水的体积减少。与现在实验的结果相比，加热烧瓶会产生什么影响？
进一步的建议 1.
将烧瓶加热一会儿。然后，停止加热烧瓶。当温度稳定时，开始冷却烧瓶。跟踪烧瓶中测得的 压力变化。
2.
用装入不同体积水的烧瓶进行试验。对比每种情形下，加热和冷却烧瓶对压力的影响。
| 55 |
第九章
盖斯定律：化学中的能量守恒
Figure 1 图1
介绍
根据盖斯定律，如果一种反应能在数步之内完成，单独步骤热含量的总量（总能量）应等于整个反 应热含量。在本实验中，我们会用到的反应是： 1.
固体烧碱溶解于水，生成铁的水溶液。
2.
NaOH(s) Na+(aq) + OH-(aq) 固体氢氧化钠与盐酸反应，生成水和一种氯化钠水溶液。
3.
NaOH(s) + H+(aq) + Cl-(aq) H2O(l) + Na(aq) + Cl-(aq) 氢氧化钠水溶液与盐酸反应，生成含水离子的氯化物水溶液。
(1)
(2)
+ (3)Na (aq)
+ OH- (aq) + H+(aq) + Cl-(aq)
用以下方程式，可计算出反应热：
| 56 |
H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq)
|盖斯定律：化学中的能量守恒| (4)𝑄 = 𝑚𝐶∆𝑇
此处：
Q =释放或吸收的热量 m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度传感器 (-40 °C 到 140 °C) 250 毫升烧杯 聚苯乙烯材质的咖啡杯 电磁搅拌器和搅拌棒
1.0 摩尔的氢氧化钠 50 毫升 1.0 摩尔的氯化氢 50 毫升 0.5 摩尔的氯化氢 100 毫升 100 毫升的水 固体氢氧化钠 4 克 防护眼镜和手套
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™应用程序按钮(
)。
| 57 |
|盖斯定律：化学中的能量守恒|
2.
将温度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
.确保只选择了温度传感器。
4.
照图 1 的图示组合设备。
数据记录器的设置 指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
500 秒
实验步骤
要一直带上防护眼镜。 1.
为聚苯乙烯材质的咖啡杯准备相同材质的杯盖一支。杯盖应是扁平的，且要大于咖啡杯的周长。
2.
在杯盖上刺一个孔，将温度传感器插入孔中。
3.
将电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向咖啡杯中倒入 100 毫升自来水。
5.
将咖啡杯放置于电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，只留出一个小口，以便添加氢氧化钠。
7.
开始搅拌咖啡杯中的水。
8.
选择运行按钮(
9.
等待，直到传感器读数稳定不变。
)即可开始记录数据。
10. 1 号反应： a. b.
向杯中加入氢氧化钠晶体 2 克，并立即更换杯盖，以确保咖啡杯被密封。 跟踪稳定变化，直到温度稳定为止。
| 58 |
|盖斯定律：化学中的能量守恒|
c.
选择停止按钮(
d.
选择保存按钮(
)即可停止收集数据。
)，对数据进行保存。
11. 2 号反应： 用 0.5 摩尔的氯化氢代替水，重复溶解反应（1-9 步）。
警告：要非常小心地处理氯化氢和氢氧化钠。 12. 3 号反应： 重复 1-9 步，首先将称量出的 1 摩尔氯化氢 50 毫升倒入烧杯中。 在第 9 步，用 1 摩尔氢氧化钠 50 毫升替代固体氢氧化钠。
数据分析 1.
用光标从每一反应中标示出初始和最终温度。
2.
找出每一反应的温度变化量(T)。
3.
测出每一反应 100 毫升溶液的质量。（假定每种溶液的密度都是 1 克每毫升）。
4.
计算每一反应释放出的热量：用方程式 4 和水的比热容(Cp = 4.18 焦耳每克摄氏度)计算热量 Q。
5.
找出热含量的变化量H (H = - Q)。
6.
计算出每一反应中所使用的氢氧化钠的摩尔数。
7.
测定氢氧化钠在三个反应中每一反应的H/mol。
8.
合并第 1 至第 3 步反应的热量(H/mol)。
本实验所得出图表的一个样图如下所示：
| 59 |
|盖斯定律：化学中的能量守恒|
Figure 2 图2
问题
1.
根据您的数据，所有反应的热量等于单个反应热量的总和吗？
2.
找出实验错误的百分比误差。
进一步的建议 将不同量的氢氧化钠进行溶解，跟踪温度的变化。 1.
追踪每一反应中的酸碱度变化。
2.
将含水硫酸铜和 CuSO4 x 5H2O(s)溶解于水中，计算盖斯定律：
(1)
CuSO4(s) + 5H2O
CuSO4 x 5H2O
| 60 |
第十章
燃烧热
Figure 1 图1
介绍
依据盖斯定律，如果一种反应可以在数步之内完成，单独步骤的热含量总和（总能量）应等于整个反应 热含量的变化量。本实验中，我们将使用盖斯定律分析一个反应，该反应仅以直接测量是难以理解的。 我们还会学习镁条燃烧的反应热： (1)
Mg (s) + ½ O2(g)
MgO(s)
本方程式可合并得到： (2) (3) (4)
MgO(s) + 2HCl (aq) Mg(s) + 2HCl(aq) H2(g) + ½ O2(g)
MgCl2(aq) + H2O MgCl2(aq) + H2(g) H2O(l)
| 61 |
|燃烧热|
用以下方程式，可计算出反应热： 𝑄 = 𝑚𝐶∆𝑇
(5)
此处：
Q =释放或吸收的热量 m =物质的质量
C =物质的热容量 T =温度的变化量
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度传感器 (-40°C 到 140°C) 250 毫升烧杯 聚苯乙烯材质的咖啡杯 Mg(s) –镁条 0.5 克 氧化镁 1 克 1 摩尔氯化氢 500 毫升 电磁搅拌器和搅拌棒 防护眼镜
设备设置步骤 1.
开启 MiLAB™应用程序按钮(
2.
将温度传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只选择了温度传感器。
4.
.按图 1 的图示组合设备。
).
| 62 |
|燃烧热|
数据记录器设置
指令传感器按照下面的设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
500 秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜 1.
为聚苯乙烯材质的咖啡杯准备同样材质的杯盖一支。杯盖要是扁平的，且比咖啡杯的周长大。
2.
在杯盖上刺一个孔，用于放置温度传感器。
3.
将电磁搅拌棒放入咖啡杯中。
4.
向咖啡杯中倒入 1 摩尔氯化氢 100 毫升。
5.
将咖啡杯放置在电磁搅拌器上。
6.
盖上杯盖，只留出一个小口，以便添加氧化镁。
7.
开始搅拌咖啡杯中的氯化氢。
8.
选择运行按钮(
9.
等待，直到传感器读数稳定不变为止。
)即可开始记录数据。
10. 1 号反应： a 向杯中加入氧化镁晶体，并立即更换杯盖，以便密封好杯子。 b. 跟踪设备上记录的温度变化，直到没有观察到进一步的变化。 c. 选择停止按钮(
)即可停止收集数据。
d. 选择保存按钮(
)即可保存您的数据。
13. 2 号反应：
| 63 |
|燃烧热|
用 0.5 克的镁条而不是氧化镁粉末重复反应（第 3-9 步）。
数据分析
1.
使用光标标示出每一反应的初始温度和最终温度。
2.
找出每一反应的温度变化量(t)。
1.
用方程式 5 和水的比热容(Cp = 4.18 J/g ˚C)计算热量 Q（假定氯化氢溶液的密度是 1 g/mL）。
2.
找出热含量的变化量H (H = - Q)
5.
把您的最终答案从焦耳换算为千焦。
6.
测定所用到的氧化镁和镁的摩尔值。
7.
计算氧化镁和镁的 ΔH/mol。 本实验所获得图表的一个样图如下所示：
图2
| 64 |
|燃烧热|
问题
1.测定反应中镁的H/mol： (1) (2)
Mg(s) + ½ O2(g) (H for H2(g) + ½ O2(g)
MgO(s) H2O(l) = -285.8 kJ)
(3)
3.
确定您对问题 1 得出答案的百分比误差。正确的值是 602 千焦。
进一步的建议 测定出自以下方程式的反应热： (1)CuSO4(s)
+ 5H2O
CuSO4 x 5H2O(s)
| 65 |
第十一章
海水的导电性
图1
介绍 根据以下方程式，固体氯化钠溶于水会释放出离子： (1)
NaCl(s)
Na+(aq) + Cl-(aq)
本实验中，我们将研究氯化钠浓度的增大对导电性产生的影响。我们还会一直测量溶液中被监测到的离 子浓度随着滴入氯化钠的增多而逐渐加大时溶液的导电性。
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate
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|海水的导电性|
导电性传感器(0-20 毫秒) 蒸馏水 200 毫升 250 毫升玻璃烧瓶 氯化钠溶液 50 毫升 电磁搅拌器和搅拌棒 防护眼镜
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将导电性传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只有导电性传感器被选中。
4.
按照图 1 的图示组合设备。
)开启 MiLAB™应用程序。
数据记录器设置 依据以下设置对传感器发出记录数据的指令： 导电性 速度：
25/秒
时长:
1秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜。
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|海水的导电性|
1.
将电磁搅拌棒放入烧瓶中。
2.
向烧瓶中倒入蒸馏水 40 毫升，并将烧瓶放置于电磁搅拌器上。
3.
将导电性传感器电极插入烧瓶中。
4.
.开始搅拌烧瓶中的水。
5.
选择运行按钮(
6.
以手动方式收集数据：每次您想记录一个抽样数据时，选择运行按钮(
7.
向蒸馏水中加入一滴氯化钠。搅拌溶液，以确保氯化钠与蒸馏水彻底混合。
8.
选择运行按钮(
9.
重复此过程 9 次，直到您已向水中加入 10 滴氯化钠为止。
)即可记录烧瓶中溶液的导电性。 )即可。
)即可测量烧瓶中溶液的导电性。
10. 改变实验中的搅拌速度，并跟踪速度改变对导电性的影响。 11. 选择保存按钮(
)即可保存您的数据。
数据分析 1.
计算实验过程中所获得的电导系数变化率。
2.
选择图表中的绘图线。
3.
选择函数(
4.
从函数下拉列表中选择线性拟合。
5.
拟合线的斜率就是导电系数的变化率。
)。
本实验所得导电性曲线和导电系数变化的一个样图如下所示。直线即是线性拟合。
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Conductivity (mS)
|海水的导电性|
Figure 2 图2
问题 1.
对导电性随氯化钠溶液浓度增加的变化进行描述。
2.
导电性和浓度之间有哪种数学上的关联？
进一步的建议 1.
用氯化钙（以相同浓度）溶液代替氯化钠溶液。
2.
改变搅拌速度，再实验一次。对导电性的影响是什么？解释这种现象。
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第十二章
探究一种火焰
Figure 1 图1
介绍
一种火焰的温度不是均衡分布的。火焰内部的温度差异可以通过热电偶(一种高灵敏度、反应快速的 温度传感器，测量范围为 0°C 到 1250°C)映射出来。在下面的实验中，我们将探究三种特征区域里的 蜡烛火焰。这三种特征区域在图 1 中标示为 1、2 和 3。
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 蜡烛 火柴
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|探究一种火焰|
K 型热电偶(0°C 到 1250°C)
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将热电偶传感器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只选择了热电偶传感器。
)开启 MiLAB™应用程序。
数据记录器的设置 依据以下设置对传感器发出数据记录指令： 温度(0°C 到 1250°C) 速度：
10/秒
时长：
100 秒
实验步骤 1.
点燃蜡烛，让它燃烧大约 2 分钟后再开始实验。
2.
选择运行按钮(
)即可开始记录数据。
在您把传感器拿近火焰前，记录所在房间的温度（注意热电偶非常灵敏，且反应迅速）。 3.
4.
监测三个不同区域的火焰温度（见图 1）： a.
烛心周围的黑色区域顶部是 3 号区域。
b.
黄色区域的中部为 2 号区域。
c.
黄色区域的顶部为 1 号区域。
选择停止按钮(
)即可停止收集数据。
| 71 |
|探究一种火焰|
5.
选择保存按钮(
)即可保存您的数据。
数据分析 绘制中的温度-时间线让我们看到，顶部火焰的温度最高，你把传感器越往下放，测得的温度越低。
2 3
Temperature (0C)
1
Figure 2 图2
问题 1.
火焰每一个区域的温度是多少？(1 号、2 号& 3 号区域)
2.
尝试对火焰内部的温度差异进行解释。
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第十三章
水的凝固与融化
图1
介绍
凝固是物质从液态转化为固态的过程。融化则是从固态转化为液态的过程。它们分别发生在所谓的 凝固或融化温度。本实验中，我们对水的凝固和融化温度进行研究。
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度感应器(-40°C 到 140°C) 带铁试管夹的支架 量筒
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|水的凝固与融化|
烧杯 (250 毫升) 试管 搅拌用玻璃棒 水 冰块 盐 防护眼镜
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将温度感应器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只选择了温度传感器。
)开启 MiLAB™应用程序。
按照图 1 的图示组合设备。
数据记录器设置 向传感器发出按以下设置记录数据的指令： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每 10 秒
时长：
2000 秒
实验步骤(第一部分：凝固) 要一直带上防护眼镜。
| 74 |
|水的凝固与融化|
1.
向 250 毫升的烧杯中倒入至少 150 毫升的冰块和冷水。
2.
将 1 毫升的水放入 5 毫升的试管里，并把试管固定在支架上。您必须调整试管位置，以使样品 没于冰水中。
3.
将温度传感器放入试管的水中。
4.
选择运行按钮(
5.
向烧杯中加入 5 勺盐，并用玻璃棒进行搅拌。
6.
15 分钟后，选择停止按钮(
7.
)选择保存按钮(
)即可开始记录数据。
)，停止数据记录。同时，保持试管没于冰水中。
)即可保存您的数据。
实验步骤（第二部分：融化） 1.
选择运行按钮(
)即可再次开始记录数据。升高试管，并将它固定在高于冰水水面的位置上。
倒掉冰水，向烧杯中加入 150 毫升温的自来水。 将试管没与温水中。 2.
再过 15 分钟后，选择工具条上部的停止按钮(
3.
选择保存按钮(
)，停止对数据的记录。
)即可保存您的数据。
数据分析
Temperature (0C)
Temperature (0C)
本实验所得出图表的样图如下所示：
| 75 |
|水的凝固与融化|
第一部分：凝固中的水
第二部分：融化中的冻水
1.
凝固阶段和融化阶段中，水温发生了什么变化？
2.
水的冰点和熔点是多少？
3.
水的熔点与冰点之间的对比是怎样的？
4.
试管中，水的动能反应是怎样的？在下述条件下，是增加、减少还是保持不变：
5.
a.
在第一部分实验的开始和结束处，温度发生变化时。
b.
温度在第一部分实验中保持不变时。
c.
在第二部分实验开始和结束处，温度发生变化时。
d.
温度在第二部分实验中保持不变时。
动能保持不变的地方，在第 4 个问题的那些阶段中，会有潜在动能的增加或减少吗？
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第十四章
再看凝固温度
图1
介绍
在实验 15：水的凝固与融化中，我们看到了在凝固和融化过程中，纯水的温度保持在凝固温度不变。 现在，我们将观察水杨酸苯酯的凝固过程。而且，我们会观察当少量其他物质（如苯甲酸）溶解在 水杨酸苯酯中时，水杨酸苯酯冰点所受到的影响。
器材
安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度感应器三支(-40°C 到 140°C)
| 77 |
|再看凝固温度|
1 升（或更大的）烧杯 装有 2 克水杨酸苯酯的试管 装有 2 克水杨酸苯酯和几毫克苯甲酸的试管 用于搅拌的玻璃棒 防护眼镜
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将温度感应器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只选择了温度传感器。
4.
照图 1 的图示组合设备。
)开启 MiLAB™应用程序。
数据记录器设置 向传感器发出按以下设置记录数据的指令： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
1000 秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
将 1 升的水倒入烧杯中。水温应在 30 度左右。向烧杯中放入一支温度传感器，以监测水温。
2.
为了使您的样品融化，准备另外一支装有热水的烧杯（水温在 60 到 80°C）。
3.
将两支装有样品的试管放入热水中，直到你在两个试管中都看见清澈的液体为止。
| 78 |
|再看凝固温度|
4.
在每一支样品试管里放入一支温度传感器，并将试管快速移动到装有 30 °C 水的烧杯中。
5.
选择运行按钮(
6.
稍微搅拌样品至融化即可。
7.
注意试管，因为清澈的液体不久就会含有越来越多的白色沉淀物，直至液体完全凝固。
8.
选择保存按钮(
)即可开始记录数据。
)即可保存您的数据。
数据分析 1.
根据您的数据，纯水杨酸苯酯的冰点是多少？
2.
苯甲酸-水杨酸苯酯混合物的冰点是多少？ 本实验所得出图表的一个样图如下所示：
Temperature (0C)
Freezing temperature of pure phenyl salicylate 纯水杨酸苯酯的凝固温度
Freezing temperature of benzoic acid-phenyl salicylate mixture 苯甲酸-水杨酸苯酯混合物的凝固 温度
图2
问题 1.
以本实验及其结论为基础，一位化学工作者会采用什么方法来确认一种未知液体是否是纯的？
2.
在水杨酸苯酯中溶解另一种成分，为什么会改变水杨酸苯酯的冰点？
3.
这种改变的本质依赖于被溶解化合物的冰点吗？
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第十五章
食物的能量含量
Figure 1 图1
介绍 人类的所有活动都需要燃烧卡路里以产生必须的能量。本实验中，我们将燃烧三种食物样品（玉米、 棉花糖和花生），测定出它们所释放出的能量（以千焦每克为单位）。释放出的能量能加热已知量 的水，且可以通过方程式 1 计算出来。用所含的热量除以燃烧食物的质量，您就可以得到能量含量 （方程式 2）： (2)
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝 ∆𝑇
此处： Q =放出/吸收的热量 m =水的质量
Cp =水在恒定压力下的热容量 T =水温的变化量
| 80 |
|食物的能量含量|
(2)
𝐸𝑓𝑜𝑜𝑑 =
𝑄 𝑚𝑓𝑜𝑜𝑑
此处:
Efooc =食物的能量含量 mfood =燃烧食物的质量
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度传感器 (-40°C 到 140°C) 带环架的支架 装有食物的盖子或小罐子( 50 毫升) 装有水的小罐子(100 – 200 毫升) 三种食物样品—玉米、棉花糖和花生 天平 搅拌棒两支 量筒 冷水 火柴 防护眼镜
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将温度感应器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
3.
确保只选择了温度传感器。
)开启 MiLAB™应用程序。
| 81 |
|食物的能量含量|
4.
照图 1 的图示组合设备。
数据记录器设置
指令传感器按以下设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
200 秒
实验步骤 要一直带上防护眼镜。 1.
.称量您将要用到的食物样品，测定其质量。
2.
向水罐中加入 50 毫升冷水，称量测定它的准确质量。
3.
将第一种食物样品放入食品罐中。注意，如果这些样品都是碎的，他们将很容易点燃；尤其是 花生。
4.
将装有样品的食物罐直接放置于水罐下。
5.
将温度传感器放入水中（一定不能触到水罐底部）。
6.
开始搅动水罐中的样品水。
7.
选择运行按钮(
8.
等待约 1 分钟后，再用火柴点燃食物样品。
9.
继续搅动样品水，直到水温不再上升为止。
)即可开始记录数据。
10. 选择停止按钮(
)即可停止收集数据。
11. 选择保存按钮(
)即可保存您的数据。
12. 对另外两种食物样品重复第 1-12 步的操作。
| 82 |
|食物的能量含量|
Temperature (0C)
本实验所得出图表的样图如下所示：
Temperature (0C)
Figure 2: Burning of 4.4 g peanuts 图 2：燃烧 4.4 克花生
图 3：燃烧 0.5 克玉米
| 83 |
Temperature (0C)
|食物的能量含量|
图 4：燃烧 3.6 克棉花糖
数据分析 1.
2.
S 先选择实验开始时的水温，再选择记录下的最高温度。 a.
每种食物样品带来的水温变化量(T)是多少？
b.
根据第一个方程式，计算水吸收的热量(Q)。
c.
称量残余的食物样品，以测定剩余物质的质量。
从食物的初始重量中，减去该量即可得到燃烧掉的食物质量— mfood。
注意：水在 25° C 的比热容是 4.18 焦耳每克摄氏度。
问题 1.
哪种食物具有最高的能量含量（以千焦每克表示）？
2.
食物能量以一个称为卡路里(4.18 千焦)的单位表示。一袋 50 克的花生含有的能量是多少卡路里？
3.
花生具有较高的脂肪含量。棉花糖和玉米则具有较高的碳水化合物含量。关于脂肪和碳水化合 物的相对能量，您能从实验结果中概括出什么？
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第十六章
燃料的能量含量
图1
介绍 本实验中，您会发现并比对固体石蜡和甲醇这两种不同燃料所产生的热量。石蜡是烷属烃组化合物 中的一员。用作燃料的重要烷属烃是汽油和柴油。 甲醇和乙醇是汽油的添加剂和替代品。 本实验中，我们将要通过测量石蜡和甲醇的燃烧热来比对他们的能量含量。 为了测定燃烧热，我们先燃烧石蜡，再燃烧甲醇。并通过测量已知量的水所吸收的热量，计算出这 两种燃料所产生的热量。
(1)
𝑄 = 𝑚𝐶𝑝 ∆𝑇
此处：
Q =释放或吸收的热量
| 85 |
|燃料的能量含量|
m =水的质量
Cp =水在固定压力下的热容量 T =温度的变化量
器材 安装有 MiLAB 的 einstein™Tablet 或安装有 MiLAB 的安卓/IOS 系统平板电脑和 einstein™LabMate 温度感应器 (-40°C 到 140°C) 带环架的支架 烧杯或小罐 (250 毫升) 天平 量筒 冷水 搅拌棒 蜡烛 甲醇燃烧器(如：奶油融化套件中的燃烧器) 火柴 防护眼镜
设备设置步骤 1.
用按钮(
2.
将温度感应器连接到 einstein™Tablet 或 einstein™LabMate 的一个端口上。
)开启 MiLAB™应用程序。
| 86 |
|燃料的能量含量|
3.
确保只选择了温度传感器。
4.
按图 1 的图示组合设备。
数据记录器设置 指令传感器按以下设置记录数据： 温度(-40°C 到 140°C) 速度：
每秒
时长：
200 秒
实验步骤 带好防护眼镜，并测定空水容器的质量。 1.
向烧杯中倒入 100 毫升冷水，称量测定它的准确质量。
2.
称量蜡烛，以测定其质量。
3.
用支架将烧杯固定在蜡烛之上。
4.
将温度传感器放入水中（一定不要触到杯底）。
5.
开始搅动容器中的样品水。
6.
选择运行按钮(
7.
等待约 30 秒后，点燃蜡烛。
8.
加热时，继续搅动样品水。
9.
当水温达到 40°C 时，熄灭火焰。
)即可开始记录数据。
10. 水温停止上升后，选择停止按钮( 11. 选择保存按钮(
)即可停止数据记录。
)即可保存您的数据。
12. 称量余下的蜡烛（包括蜡滴）以测定蜡烛的质量。
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|燃料的能量含量|
13. .称量甲醇燃烧器，以测定其质量。 14. 将蜡烛换为甲醇燃烧器，并用 200 毫升水重做实验。 15. 用一片金属盖住燃烧器，使其不再燃烧。让燃烧器冷却到室温。 16. 称量测定甲醇燃烧器和剩余燃料的质量。
数据分析
Temperature (0C)
Temperature (0C)
本实验所得出图表的样图如下所示：
Figure 2 图2 1.
在两张图上标示出开始的温度和所达到的最高温度。
2.
测定所加热的水的质量。
3.
水温的变化量(T)是多少？
4.
根据给出的公式，计算水吸收的热量(Q)。
5.
测定燃烧的石蜡和甲醇的质量。
6.
计算两个实验的效率（以百分比表示）。用您的实验值[以 kJ/g 表示]除以适当的文献值，再用这 个商乘以 100。文献值是 41.5 kJ/g（石蜡）和 30.0 kJ/g（乙醇）。
问题 1.
燃烧一克所产生能量更多的燃料是那一种？对差异进行解释（提示：甲醇是一种含氧微粒，石 蜡则不含氧）。
| 88 |
|燃料的能量含量|
2.
提出乙醇（或石蜡）用作燃料的一些优点。
3.
讨论引起实验效率低的热量损失因素。
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