Microsoft Excel在高中化學(xué)定量實驗中的應(yīng)用
——用質(zhì)量差法測定化學(xué)反應(yīng)速率及濃度對速率的影響

楊秋旸

（深圳第二外國語學(xué)校　廣東深圳　518110)

?

Microsoft Excel在高中化學(xué)定量實驗中的應(yīng)用
——用質(zhì)量差法測定化學(xué)反應(yīng)速率及濃度對速率的影響

楊秋旸

（深圳第二外國語學(xué)校廣東深圳518110)

摘要：使用電子天平、錐形瓶、注射器、干燥管等常規(guī)儀器，通過精確測量大理石和鹽酸反應(yīng)體系的質(zhì)量變化，利用質(zhì)量差法計算生成的CO2的質(zhì)量，從而精確計算出用鹽酸表示出的速率；借助Excel軟件對眾多數(shù)據(jù)進行處理，快速計算出反應(yīng)速率，并精確繪制出速率-時間圖，直觀地反映出鹽酸濃度的變化對速率快慢產(chǎn)生的影響。該實驗展示了現(xiàn)代計算機技術(shù)在高中化學(xué)定量實驗中的應(yīng)用所體現(xiàn)的精確性和高效性。

關(guān)鍵詞：Excel；質(zhì)量差；反應(yīng)速率；實驗設(shè)計

人教版高中化學(xué)教材（選修4）第18頁實驗2-1（如圖1）旨在達到如下三個教學(xué)目的：1.使學(xué)生鞏固化學(xué)反應(yīng)速率的計算方法；2.使學(xué)生了解濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；3.使學(xué)生了解在同一反應(yīng)中用不同物質(zhì)所表示的化學(xué)反應(yīng)速率在數(shù)值上與化學(xué)方程式中各物質(zhì)前的計量數(shù)存在著正比關(guān)系［1］。該實驗通過量筒收集反應(yīng)生成的H2并讀取其體積，最終轉(zhuǎn)化成用鹽酸表示的反應(yīng)速率。該實驗裝置設(shè)計簡易便于操作，然而作為一個定量實驗卻存在著嚴(yán)密性欠佳的嚴(yán)重缺陷：首先，氣體的體積受溫度、壓強等多種因素的影響，測量誤差較大；其次，Zn與H2SO4反應(yīng)的熱效應(yīng)較大，溫度的改變對速率造成的影響沒有進行變量控制。為此，筆者對該實驗進行如下改進。

圖1　測量鋅與硫酸反應(yīng)速率的裝置

一、實驗構(gòu)想

質(zhì)量相對于氣體的體積而言受溫度、壓強的影響很小，可忽略不計，所以，通過測量反應(yīng)中某個反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量變化及時間變化來計算反應(yīng)速率，就可以大大減小實驗誤差，提高定量實驗的精確度。對有氣體生成的反應(yīng)連續(xù)稱量其體系的質(zhì)量便可以通過質(zhì)量差法計算出生成的氣體質(zhì)量。如果，生成的氣體摩爾質(zhì)量較大，便可使測量數(shù)據(jù)比較靈敏［2］。然后，再通過方程式中的計量數(shù)算出其他反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量、物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度，最終計算出反應(yīng)速率。

由于連續(xù)稱量質(zhì)量及各種物理量之間的轉(zhuǎn)化涉及到的數(shù)據(jù)偏多，計算量較大，如果能夠借助Microsoft Excel軟件對數(shù)據(jù)進行處理就可以給我們的工作帶來很大的方便。首先，由學(xué)生自己或在教師的指導(dǎo)下編寫各個數(shù)據(jù)的計算公式，借以鞏固反應(yīng)速率的計算方法及進一步熟悉各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；然后，在實驗過程中直接輸入測量數(shù)據(jù)，可迅速得出結(jié)論。

二、實驗原理

以錐形瓶做反應(yīng)容器，向其中加入大理石顆粒和鹽酸，使之發(fā)生反應(yīng)CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，用電子天平連續(xù)稱量體系質(zhì)量，質(zhì)量變化就等于CO2的質(zhì)量。將CO2的質(zhì)量輸入Excel表格，根據(jù)編寫好的計算公式自動生成用鹽酸表示的速率，并在Excel中做出速率-時間曲線圖，從數(shù)據(jù)或曲線變化均可看出濃度和速率之間的關(guān)系。

三、實驗儀器及藥品

秒表、電子天平、250mL錐形瓶、60mL注射器、干燥管、棉花、燒杯，粒徑4mm左右的大理石、氯化鈣、4mol/L的鹽酸。

四、實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，實驗中使用的電子天平量程為1000g，精確度是0.01g。為防止HCl和H2O的揮發(fā)造成誤差，在干燥管的下部裝有用水濕潤的棉花，以吸收揮發(fā)出來的HCl，干燥管的上部裝有無水CaCl2，以吸收揮發(fā)出來的水蒸氣；兩者之間用干燥的棉花隔開。為了保持收集數(shù)據(jù)的連貫性，使測量的數(shù)據(jù)更少地受到其它因素的干擾，本實驗采用注射器注射鹽酸的方法。

圖2　改進后的實驗裝置圖

五、實驗過程

（1）根據(jù)反應(yīng)CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，在Excel表格中嵌入CO2的質(zhì)量（g）與用鹽酸表示的速率（mol·L-1·min-1）、鹽酸的濃度（mol/L）的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并做好相關(guān)量的統(tǒng)計表（如圖3）。

綜上所述，可得如下計算公式：

各時間段內(nèi)平均反應(yīng)速率：

圖3　碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

C4：fx=B3-B4

D4：fx=C4*73/44

E4：fx=D4/36.5/0.05/0.5

F4：fx=（F3*0.05-D4/36.5）/0.05

其他公式通過“下拉”操作自動生成。

（2）在錐形瓶中加入約20g的大理石，塞上帶有注射器及干燥管的膠塞，置于電子天平上，用注射器向錐形瓶中推入50mL濃度為4mol/L的稀鹽酸。

（3）反應(yīng)片刻后，每隔30s記錄一次反應(yīng)體系的總質(zhì)量，將數(shù)據(jù)輸入表1中的B（3-10），電腦將自動計算出其它數(shù)據(jù)。

（4）選定數(shù)據(jù)A（4—10）和E（4—10），利用Excel散點圖生成速率-時間圖（如圖4）。

（5）實驗結(jié)束后，立即將錐形瓶中的液體傾倒入燒杯中，使反應(yīng)停止，并清洗錐形瓶中的大理石。回收的CaCO3可以重復(fù)使用，如用于實驗室制備CO2。

六、實驗結(jié)果及討論

所得實驗數(shù)據(jù)詳見表1，生成的速率-時間圖見圖4。表1的最后兩列數(shù)據(jù)及圖4中的曲線斜率變化均表明：隨著反應(yīng)的進行，鹽酸濃度逐漸減小，反應(yīng)速率逐漸減小。

圖4　碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)的v-t圖

大理石顆粒大小及溶液體積多少在反應(yīng)前后變化均不明顯，可視為不變；該反應(yīng)前后溫度變化亦不明顯，且該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，溫度的升高對反應(yīng)的速率影響與濃度減小對反應(yīng)速率的影

液在溫度和溶劑的量不變的情況下，溶質(zhì)是不會從溶液中分離的，可是在實際生產(chǎn)中需要將溶質(zhì)從溶液中分離出來，比如氯化鈉從海水中分離出來，這就產(chǎn)生了新舊知識的矛盾，提高學(xué)生探究興趣。

2.注意學(xué)生的后續(xù)發(fā)展

教學(xué)過程中不應(yīng)該僅關(guān)注眼前利益，即只關(guān)注學(xué)生能考得高分，而應(yīng)該注意學(xué)生的后續(xù)發(fā)展，將初中知識與高中及以后的發(fā)展相結(jié)合。本節(jié)課中的溶解與結(jié)晶的動態(tài)平衡的介紹，讓學(xué)生能初步形成動態(tài)觀，為高中的平衡知識的學(xué)習(xí)做鋪墊。

3.注重學(xué)生的探究實驗

化學(xué)本就是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，課堂上應(yīng)注重學(xué)生的探究實驗，有利于增強學(xué)生課堂的有效關(guān)注度，提高課堂效率；有利于增強學(xué)生的實驗操作能力，提高實驗功能。本節(jié)課的兩組學(xué)生實驗，學(xué)生在自己的動手操作過程中感受了固體從溶液中析出，現(xiàn)象明顯，既學(xué)到了知識，又體驗了成功的喜悅，這是演示實驗無法比擬的。

參考文獻

［1］王祖浩主編.九年級化學(xué)教師教學(xué)指導(dǎo)書［M］.上海：上海教育出版社，2014，11：16-26

［2］中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.九年級義務(wù)教育教科書化學(xué)［M］.上海：上海教育出版社，2015，11：21-23

［3］楊劍春，夏建華.“空氣”第一課時教學(xué)設(shè)計及點評［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2015，（6)：29-32

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.030

文章編號：1008-0546（2016）04-0083-02

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B