計算機技術在化學實驗教學中的應用實例

李巨超

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

計算機技術在化學實驗教學中的應用實例

李巨超

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

應用計算機技術包括互聯網以及相關的應用軟件,可以在化學實驗教學中發揮強大的作用,廣泛應用于實驗預習、實驗方案設計、實驗報告的撰寫與評價。尤其是用于處理化學實驗數據,解決繁瑣的數學計算問題,具有不可替代的優越性。熟練運用這些計算機技術,能夠大大增強化學實驗教學效果,開拓實驗教學的新局面。

計算機;化學實驗;教學;數據處理

計算機技術在化學教學以及教改研究上有著廣闊的用途,而對于化學實驗教學,除了制作教學軟件開展多媒體教學、運用網絡進行教學等常規應用外,還有更多層次、內容更為豐富的應用,尤其是運用軟件處理實驗數據,運算實驗結果,模擬實驗操作等,具有獨特的優越性。

一、運用計算機進行化學實驗預習

學生在上實驗課之前,都必須進行預習,以便在實驗課中能夠有的放矢,順利完成實驗,達到實驗的預定目的。許多情況下,學生都不具備到實驗室預習的條件,如果只是看看教材和一些參考書,收效不大,預習效果不夠理想,而互聯網及各種教學軟件給我們提供了廣闊的學習空間。

(一)通過在互聯網上查閱資料進行預習

國內辦學比較成熟的高校,如果具有相關專業,大都在網上有化學實驗教學網站。在搜索引擎中輸入“化學實驗中心”,可以找到數以百計的高?；瘜W實驗 (教學)中心的網址。在前面冠以某某高校的名稱,就可以直接搜索到該校的化學實驗中心網址。在這些網站中,都有很豐富的化學實驗教學資料,具體到我們需要了解的某個實驗的原理、方法、方案、應用的儀器試劑、實驗裝置圖、注意事項以及成敗的關鍵。有些網站還提供演示實驗操作的視頻,讓我們能直觀地看到實驗操作方法,還有相關的實用附錄資料如溶液的配制、指示劑的應用、計算公式等等。如果想直接了解某個實驗,可在搜索引擎中輸入實驗名稱,例如“化學反應速率及活化能的測定”、“硫酸亞鐵銨的制備”等,即可很快找到相關的教學參考資料。通過網上查閱資料來預習實驗,學習效率非常高,效果比單純看書好得多。

(二)運用模擬、仿真化學實驗室軟件進行實驗預習

“仿真化學實驗室”、Chemlab以及類似的軟件都是在電腦上進行模擬化學實驗的互動式教學軟件。學習者可在一個虛擬的可視化的平臺上,采用虛擬 (圖形)的實驗儀器和試劑,進行模擬化學實驗操作,達到訓練、掌握實驗操作方法和技能的目的。

1.“仿真化學實驗室”的功能

“仿真化學實驗室”是國內開發的一個可單機使用的交互式教學軟件,其中包含化學仿真實驗平臺、三維分子模型和化學資料中心。調用內置的“儀器庫”,能夠“裝配”復雜的化學實驗“裝置”,可以進行許多虛擬但又逼真的化學定性和定量實驗;利用“三維分子”可以制作出各種常見有機分子 (烯、炔、鹵代烴、醇、醛、羧酸、酯等)的三維模型,并可制作成動畫;化學資料中心是以元素周期表為主線的化學資料庫,可以便捷地查找所需要的元素或化合物的有關數據。

2. “仿真化學實驗室”的使用實例

以實驗室制取 Cl2的為例,介紹其使用方法。

步驟 1,組配實驗裝置:運行“仿真化學實驗室”,在窗口左邊的儀器器件箱中 (圖 1),用鼠標點擊所需的儀器及配件,再在實驗區中點擊一下鼠標就可以把該儀器放在實驗區中了。然后拖動到適當位置,組成本實驗的裝置圖 (圖 2)。

步驟 2,往容器中添加藥品:用鼠標右擊需要加藥品的容器,在彈出的菜單中點擊“添加藥品”,這時會彈出“添加藥品”對話框 (圖 3)。

從“固體、液體、氣體、溶質、溶液、離子”選項中選擇所需類型,再找到具體的藥品名稱,然后輸入需要添加的量,最后點擊“添加”按鈕就可以了。

步驟 3,啟動智能反應與定制反應:“仿真化學實驗室”具有智能處理反應功能,可根據容器中的藥品和環境自動從方程式庫中搜索可能存在的反應方程式,并按這些方程式進行計算。點擊工具欄中的運行按鈕,設置為運行狀態。再點擊分液漏斗,分液漏斗右邊會出現一排按鈕,點擊“打開”就可以把分液漏斗中的鹽酸加入到燒瓶中了。這時反應就會自動進行了。為了準確地控制實驗,需要對發生的反應進行定制:右擊燒瓶,選擇“屬性”,再選擇“容器中的反應”,彈出顯示可能發生反應的對話框。對于可以不考慮的反應,可以點擊“刪除”。修改后將“容器相關設置”項目中“智能處理反應”選項設置為不選中狀態。最后點擊運行按鈕,將出現預期的“實驗現象”。

對于復雜的定量反應,模擬實驗能表現出更好的學習效果。通過適當設置有關選項參數,能夠進行自動計算,還可以描繪反應曲線圖形。

二、運用計算機處理化學實驗數據

在化學實驗過程中,經常要對大量的實驗數據進行記錄、整理、分析和計算,并輔以圖表作直觀展示,解釋實驗現象并做出實驗結論,最后求得準確的實驗結果。傳統的處理實驗數據的方法是手工記錄整理數據、分析計算,以及在方格紙上描點作圖。此種方法工作量大,效率低,容易出現誤差。運用計算機技術處理化學實驗數據具有簡便、快速、計算準確、圖表精確,以及便于存檔和交互應用等一系列優越性。因此,越來越多的化學教師、科研和技術人員對此大力開發應用。目前,便于普及且應用較廣泛的相關軟件有 Excel、Origin、VisualBasic以及 C語言程序等。

(一)運用 Excel處理化學實驗數據實例

Excel是常用辦公軟件MicrosoftOffice中的組件之一,具有強大的數據分析和計算功能,可以用圖形直觀形象地描繪實驗數據。在處理化學實驗數據時,常用的功能有:①制作表格;②函數計算;③圖形表示。

1.碘化鉛溶度積常數測定的實驗原理

用分光光度計測定 b,溶度積常數 Ksp=(c-a-b2).b2

2.實驗過程

繪制 I-濃度的標準曲線:在 5支具塞比色管中分別加入 KI溶液 (0.0035 mol.L-1)、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0ml、KNO2溶液 (0.020mol.L-1)2ml、蒸餾水及 HCl 1滴 (6.0 mol.L-1)。搖勻后,分別倒入比色皿中。以水做參比溶液,測定 520 nm波長的吸光度。以測得的吸光度值 A為縱坐標,以相應 I-濃度為橫坐標,繪制出 I-濃度的標準曲線圖。

制備 PbI2飽和溶液:在 3支具塞比色管中,分別加入 5ml0.015 mol.L-1Pb(NO3)2溶液,再分別加入 3、4、5ml 0.035 mol-1KI溶液,加蒸餾水至每個試管中溶液體積為 10.00 ml;搖勻、靜止 30mni使其充分反應,然后過濾,將濾液分別保留于 3只燒杯中;取 3支小試管,分別移取以上制得的 PbI2飽和溶液,每支試管加入 4ml0.010mol.L-1KNO2溶液及 1滴 6.0 mol.L-1HCl溶液。搖勻后,分別裝入比色皿,測定 520 nm波長的吸光度 (A′)。

2.1.3 實驗數據記錄與處理

表一 I-濃度的標準溶液吸光度 (A)的測定記錄與 Excel作圖表

表二 PbI2飽和溶液吸光度 (A′)的數據記錄與 Excel根據 c(I-)標準曲線計算出的 PbI2飽和溶液中 I-的濃度

表三 ksp(PbI2)測定實驗數據處理

6.5794×10-5 6.4593×10-5 5.9916×10-5 Pb2+的初始濃度 /(mol.L-1):c 7.5×10-3 7.5×10-3 7.5×10-3 Pb2+的平衡濃度 /(mol.L-1):c-(a-b)/2 6.3057×10-3 4.5185×10-3 2.6203×10-3 ksp(PbI2):[c-(a-b)/2]×b2 41.4877×10-8 29.1863×10-8 15.6998×10-8 ksp(PbI2)的平均值 28.7913 ×10-8標準偏差 -S 1.29 c(I-)2:b2

(二)運用 VisualBasic處理化學實驗數據實例

實驗內容:用 EDTA標準溶液 (0.01 mol.L-1)測定樣品溶液中 Ca2+含量。進行測定實驗操作 (平行 3次),記錄實驗數據 (實驗過程略)。

運用程序設計軟件 VisualBasic設計一個“配位滴定計算程序”(設計過程略)。

啟動配位滴定計算程序,彈出的對話窗口 (圖 5),在相關選項中進行選擇以及輸入數值:

(1)待測離子種類:選擇 Ca2+;(2)待測溶液體積:輸入 25 mL;(3)溶液的 pH值:輸入 12.5;(4)標類:選擇 EDTA;(5)標定液濃度:輸入 0.01 mol.L-1;(6)滴定終點標定液的體積:50 mL;(7)有無金屬離 (Y/N):輸入 N.單擊“確定”進行計算.得計算結果為待測溶液濃度為 0.005 mol.L-1;單擊“顯示過程”,即可輸出“EDTA滴定 Ca2+結果”;在“輸出結果”窗體上選擇“顯示滴定曲線”,就會顯示滴定曲線 (圖 6)。根據比較,運行計算結果與按測定計算值相符,同時體現了便捷和準確的優越性。

三、結束語

用于化學實驗數據處理的軟件,還有一些功能更強的但過于專業的工具,不一定適合一般的教學應用。而類似以上這些軟件,還有更多的功能、更巧妙的應用方法有待開發設計,只要能夠充分運用,完全可以滿足化學實驗教學的數據處理,并可以發揮更廣闊的用途。例如用“Excel”中制作的實驗數據處理程序表格,既可給學生用來書寫實驗報告,也可為教師用來驗證學生的實驗數據處理結果和分析實驗問題,以及制作實驗試題答題和評價系統,大大減少師生的工作量,提高教學效率。

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G642.423

A

1672-9021(2010)S-0115-04

李巨超 (1954-),男,廣西平樂人,河池學院化生系高級實驗師,主要研究方向:無機及分析化學實驗,現代教育技術。

2010-06-20

[責任編輯 賀衛國 ]