氣體壓力傳感器在中學化學實驗中的應用

何 翔

（無錫市教育研究中心江蘇無錫214001）

氣體壓力傳感器在中學化學實驗中的應用

何 翔

（無錫市教育研究中心江蘇無錫214001）

結合教學實踐，總結了氣體壓力傳感器在中學化學實驗中的實驗案例，著重闡述了其運用的方法、實驗案例設計、實驗原理，相比傳統實驗手段的優勢及有關的注意事項等，并就傳感技術對高考的促進作用提出了自己的看法。

氣壓傳感器；傳感技術；中學化學；實驗

一、引言

自上世紀末以來,傳感技術被引入到我國中學化學教學。由于其具有數據化、圖形化、直觀化和定量化的特點,使得較多的師范：校和中學的教師對此進行了相關研究。同時一些學校購買了數字化實驗儀器,并建立了相關實驗室。然而有關的調查研究表明數字化實驗在中學化學實驗中的發展現狀并不樂觀,即使一些學校配備了傳感技術儀器,也大多處于不用的境地,這其中固然有儀器昂貴難保養、升學考試壓力、使用有難度等相關原因,但教師缺乏相關的實驗案例資源是很重要的一個原因[1]。

在中學化學實驗的教學中,很多化學反應都有氣體產生。圍繞氣體產生的實驗研究也有很多。教材研制者和一線教師為了表征氣體產生的快慢、大小等設計了多種實驗,如比較氣球膨脹的快慢和大小,比較針筒、活塞、墨水移動的快慢等。上述實驗方案均是通過實驗手段的轉化進而間接表征研究氣體壓力的變化。傳感技術中的氣體壓力傳感器,結合相應的數據采集器和數據處理軟件則能夠直接檢測封閉體系中壓強的變化,并將壓強的變化通過計算機顯示出來,有助于我們對相關化學反應的研究,提高實驗教學和研究的層次和水平。對于如何在中學化學教學中利用氣壓傳感器進行相關的教學和實驗研究,目前文獻報道還不多,且較為零散。因此筆者結合這幾年的教學實踐,總結了氣壓傳感器在中學化學教學中的實驗案例,著重闡述了其運用的方法、實驗原理、相比傳統實驗手段的優勢及有關的注意事項等,并就傳感技術對高考的促進作用提出了自己的看法。希望能夠對同行有些許的幫助。

二、實驗案例設計

1.比較有無催化劑對化學反應速率的影響

利用氣體壓力傳感器監測雙氧水分解過程中是否加入催化劑的氣壓變化情況,形象地說明催化劑的作用。同時該實驗還能說明雙氧水自然分解時的速率情況。傳統的實驗手段,由于雙氧水自然分解速率較慢,無法觀察到。

圖1雙氧水分解壓強變化圖

針對二氧化錳催化雙氧水反應劇烈,速率較快,不易平緩制取氧氣的情況,教師還可設計實驗,引導學生利用氣壓傳感器,比較不同曲線的平均斜率和瞬時速率,探究雙氧水濃度、水的體積、催化劑的用量對平和、高效制取氧氣的影響。

2.碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質比較

人教版教材必修一對碳酸鈉和碳酸氫鈉性質進行了科學探究,其中之一是碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應,目的是比較兩個反應的速率大小。但進行實驗時,可發現按照課本上操作,實驗現象不明顯,并不能明顯的觀察到氣球膨脹的快慢。且實驗者也很難同時將氣球中粉末倒入鹽酸中。利用傳感技術實驗者可以利用針筒將鹽酸注入容器內,使用氣壓傳感器實時檢測反應生成二氧化碳濃度的情況,利用“線性擬合”手段可簡捷、方便的比較反應的速率差異。

針對人教版該部分實驗不僅涉及兩者與鹽酸反應速率的變化,同時也涉及反應溫度的變化,因此也可同時使用壓力和溫度傳感器同時檢測兩個反應中壓強和溫度的變化情況。

3.測定乙醇的分子結構

乙醇分子結構測定是舊版人教社高中教材的一個定量實驗。采用排水集氣法進行實驗存在誤差較大、操作復雜等問題。由于該實驗涉及氣體的放出,可采用氣壓傳感器檢測乙醇和鈉反應過程中壓強的變化情況,借助于理想氣體方程,求得氫氣物質的量,將其與反應物乙醇物質的量進行比較,即可以確定乙醇的結構。

本實驗的優點在于傳感器的靈敏度非常高,能夠減少乙醇和鈉的用量,同時實驗操作也非常簡單,學生操作時即使不成功,也可快速重新加入藥品進行實驗操作。存在的誤差主要在于乙醇的揮發,實驗操作時應縮小加熱時間。

4.噴泉實驗

一些可溶或能溶性氣體和相應的物質（如NH3和水,SO2、CO2和NaOH溶液)進行組合時,能夠形成噴泉,而在現實教學中,學生對噴泉實驗的理解僅限于表面和現象的認識,不能數據化的感受反應壓強的變化。采用氣體壓力傳感器,能夠實時檢測并呈現形成噴泉時壓強的變化情況,有助于加強學生對噴泉原理的理解。圖2為SO2吸收NaOH溶液所形成的噴泉壓強變化圖。

圖2SO2噴泉壓強變化示意圖

該實驗還可以進行拓展研究,如比較不同噴泉體系壓強變化,使學生對各種氣體溶解度有比較直觀和感性的認識。

5.化學反應速率的測定

課程標準要求學生能夠通過實驗測定某些化學反應速率,采用氣壓傳感器檢測鎂與鹽酸反應過程中壓強的變化情況,利用數據處理軟件中“線性擬合”功能對圖形進行處理,得出斜率△P/△t,利用如下公式即可以求出用氫氣濃度變化量表示的化學反應速率。

反應伴隨一定的熱效應,會造成誤差。因此鎂條用量不宜太多,鹽酸濃度也不宜太大。筆者利用溫度傳感器經過多次實驗測定反應體系溫度情況。發現鎂條宜取2cm,鹽酸濃度控制在0.5-1mol/L,反應體系的溫度變化較小,同時現象明顯。

6.比較條件對化學反應速率的影響

可以通過檢測等物質的量硫酸銅和氯化鐵溶液、等物質的量硫酸銅固體和溶液、不同的pH體系對雙氧水催化分解的壓強變化情況,借以說明催化劑種類、物質狀態、pH等對化學反應速率的影響變化情況。

值得說明的是在反應圖形中,可以利用數據處理軟件中“線性擬合”和“正切”功能對圖形進行處理,可求出該反應相應的平均速率和瞬時速率。傳統教學中對“瞬時速率”的教學大都停留于口頭講述。利用“正切”功能可讓學生對此有更好的掌握。

7.強弱電解質的比較

人教版教材通過實驗等體積等濃度鹽酸和醋酸與活潑金屬的劇烈程度分析說明兩者H+濃度是不同的。筆者在進行實驗時發現兩者與鎂條反應的“劇烈程度”肉眼難以區分,不利于課堂的演示。采用氣壓傳感器監測兩者壓強變化情況并通過計算機顯示出來,使得實驗演示效果明顯,定性實驗定量化。

三、氣壓傳感器應用的注意事項

1.氣壓傳感器在使用的過程中應當注意保持良好的氣密性,這就涉及到傳感器接口和中學化學實驗室傳統實驗儀器的連接問題。筆者在近幾年的實驗研究中,使用過多種品牌的傳感器,發現目前各種廠家設計的氣壓傳感器分為兩類,一類其接口是一個直徑約為2-3cm的塑料管,中學實驗室只有具支試管與其配套；另一類帶有兩種不同的圓頭接口,150mL、100mL錐形瓶、大試管均可與其相連接。筆者感覺后一種在中學化學實驗中應用更為廣泛和方便。這同時也要求廠家在設計產品的時候應多考慮中學化學實驗的需求。

2.相比其他傳感器,教師在指導學生使用氣壓傳感器進行實驗的過程中應當格外注意安全問題。教師在設計實驗的時候應注意藥品和試劑的用量,防止反應體系產生的壓強過大使玻璃容器破裂。筆者在研究中發現一般試管大都能承受125kPa左右的壓力,而150mL錐形瓶能承受170kpa左右的壓強,具支試管在140kpa左右。這是筆者在研究中所得的經驗數據,實際數據還要取決于容器的制作材質。

四、傳感技術對于高考的促進作用

有關傳感技術對于學生探究能力和科學素養的培養所起到的促進作用,相關文獻已闡述很多[1][3][4]。筆者在這里針對許多老師認為傳感技術對考試幫助不大的觀點提出自己的看法。2008年江蘇高考題考察了一種新型的圖形—雙縱坐標圖,學生普遍表現出對題型較為陌生,難以下手。針對這種情況,筆者在進行酸堿中和滴定的教學中帶領學生利用pH和溫度傳感器測定酸堿中和過程中pH和溫度隨體積變化的情況,同時利用傳感技術數據處理軟件制作pH和溫度變化情況隨體積變化的雙縱坐標圖形,極大的增強了學生對該類題型的掌握能力。

查閱近幾年的高考試卷,可以發現高考越來越注重對學生讀圖能力的考察。而學生在利用傳感技術進行實驗的過程中能夠自己設定坐標系（如酸堿中和滴定可將橫坐標設成時間或體積),描繪各種曲線的變化（各種強弱酸堿中和),分析圖形的各個變化點（如突躍變化點等)和各部分變化趨勢。這幾年的教學實踐證明利用傳感技術對于學生識別圖象技能的提高是有效的。

傳感技術同時還能夠提高學生的數據分析和處理、觀察和實驗、合作等能力,因此筆者相信傳感技術在中學的使用和學生考試成績并不相沖突。教師在教學中合理有效地使用傳感技術不僅能夠培養學生的探究能力,提高學生科學素養,也有助于學生學業成績的提高。

[1]眭蘇奇.基于手持技術的中學化學實驗開發及績效研究[D].廣州：華南師范大學，2008

[2]Seong-JooKang，Eun-HeeRyu.CarbonDioxideFountain. JournalofChemicalEducation，2007，84（10）：1671-1672

[3]王磊，魏銳等.傳感技術—化學實驗探究手冊[M].北京：北京師范大學出版社，2007

[4]錢揚義，鄧峰.數字化化學探究實驗室的建設與學生探究能力的培養[J].中國電化教育，2006，（11）：49-52

1008-0546（2011）10-0076-02

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.10.038