基于手持技術在中學化學實驗中應用的研究

謝杭　陳劍峰

摘 要：中學化學反應速率的影響因素在高中化學知識體系中起到了承上啟下的重要作用，驗證速率影響因素的實驗一直是教學的重點。現行中學化學教材中的實驗存在不足。本文探討利用手持技術改進測定反應速率的實驗，靈敏度更高，節約藥品，實時動態地采集信息，最后通過軟件對圖象進行分析，將化學反應速率直接量化。

關鍵詞：DISLab；手持技術；速率；壓強傳感器；化學反應；恒壓裝置

1 研究項目的確定

中學化學教材上的反應速率的影響因素實驗裝置大都采用“套氣球”來完成 [1 ]，操作看似很簡單，但是在演示過程存在不足 [2 ]：兩手各抓住氣球往試管內加粉末，粉末容易粘附在氣球內壁及試管內壁，實際參與反應的藥品的質量不等；演示實驗時很難保證同步操作；反應幾秒內就能完成，用肉眼很難判斷生成氣體的速率的快慢；由于兩個氣球的張力不同，且瞬間壓力不夠，只能看到兩個氣球豎起后停頓一定時間后都慢慢膨脹，很難看出誰先放出氣體。于是我決定利用手持技術嘗試改進該實驗裝置。

2 項目的原理及基本思路

2.1 項目原理

2.2 項目思路

為準確、實時、快速和自動采集氣體產生的氣壓變化曲線，選用了DISlab壓強傳感實驗系統來完成。將實驗過程或現象轉化為可檢測的物理信號，這也是科學研究中非常重要的“轉化”思想。利用手持技術研究本項目，其靈敏度較高，必須保證實驗裝置氣密性高，且要保證加藥品后（反應瞬間）整體的壓強相同。

2.3 拓展延伸

3 數字化比較化學反應速率裝置的研制

3.1 實驗材料

計算機、采集器、壓強傳感器2套、數據線2條、恒壓分液器（注射器及輸液管改裝）2套、同流閥1個、6號橡膠塞2個、具支試管4根、試管架1個，量筒3個、橡皮管4根等。

3.2 實驗裝置的制作

（1）裁好5mm厚的有機玻璃，做成長方體主體支架。上端固定注射器，下端固定具支試管，前側固定壓強傳感器、后側固定采集器。底部做成水槽用來冷卻，控制整個過程溫度恒定。

（2）將兩注射的活塞桿切除，用膠槍將活塞與推桿頂固定（降低儀器整體高度、方便做好加固）。

（3）將內徑6mm的透明玻璃管，加熱彎曲90°，裁好適當的長度后，一端插到注射器側上方，固定密封，另一端套上橡膠管（用來連接具支試管的一分支，做成恒壓管，用來控制加入藥品后系統壓強恒定）。

（4）將6號橡膠塞打孔，插入小截透明玻璃管，保持密封。利用醫用透明軟管穿過同流閥，將注射器前端與6號橡膠塞上的透明玻璃管對接。

（5）在底座后側面增加試管架，方便操作。

3.3 實驗裝置圖

研制的數字化化學反應速率比較儀的原理圖如圖1所示，整體實物圖見圖2，自制主體結構見圖3。

3.4 化學反應速率比較儀的檢測

3.4.1 碳酸鈉與碳酸氫鈉的鑒別

（1）儀器與藥品

自制化學反應速率比較裝置、計算機、DISLab設備、量筒、1mol/L的HCl溶液、NaHCO3粉末、Na2CO3粉末。

（2）實驗步驟

①連接采集器與計算機和壓強傳感器；

②閉合同流閥，打開兩注射器的活塞，利用量筒往兩邊各加入10ml 1mol/L的HCl溶液（過量），塞緊活塞，并利用金屬桿穿過活塞頂部，固定；

③用兩紙槽各取0.2g的A物質 和B物質分別裝入具支試管中，貼好標簽，塞緊橡膠塞；

④利用橡膠管將壓強傳感器檢測端與具支試管側支對接；

⑤打開DISLab軟件，通用軟件，點擊平鋪按鈕，顯示兩壓強傳感器值p1、p2。若左右壓強值不相等，通過任意一側的對接橡膠管調整（橡膠管套深淺可微調最初壓強值）；

⑥點擊組合圖象，添加兩壓強p1、p2隨時間變化的組合圖象，調整X、Y軸的放大倍數；

⑦用夾子分別夾住兩邊橡膠管，兩邊壓強升高后保持不變，表明裝置氣密良好；

⑧點擊開始后快速打開同流閥，觀察電腦屏幕上的壓強隨時間的變化圖象，等到圖象基本平穩后點擊停止按鈕；

⑨觀察電腦屏幕上的壓強時間變化圖象進行分析，并得出結論。

（3）實驗數據

NaHCO3 、Na2CO3鑒別實驗數據詳見圖4。

最后兩條曲線不重合，說明兩物質最終產生的氣體的量不一樣。

3.4.2 強弱電解質的電離程度的比較

（1）儀器與藥品

鎂條，1mol/L的HCl，1mol/L的CH3COOH，自制化學反應速率比較儀。

（2）實驗步驟

①連接采集器與計算機和壓強傳感器；

②閉合同流閥，打開兩注射器的活塞，利用量筒往兩邊分別注射1mol/L的HCl和1mol/L的CH3COOH各10ml，塞緊活塞，并利用金屬桿穿過活塞頂部，固定；

③打磨好的約2.5cm的鎂條，對折重疊，兩端各剪去部分（余約1cm），往2支試管中各放入一根，塞緊橡膠塞；

余下操作與3.4.1中的④～⑨相同。

（3）實驗數據

實驗數據如圖5、圖6所示。

最后兩條曲線重合，說明兩種物質最終產生的氣體的量是一樣的。

3.5 其他實驗

本儀器還可以用來研究：催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響、探究濃度對化學反應速率的影響等。

4 研究項目的主要貢獻（創新部分）

在中學階段常利用氣球的膨脹快慢或大小來衡量反應的快慢或劇烈程度及生成氣體體積的多少，這種方法雖然直觀、形象，但顯然僅停留在定性層面，甚至存在一些科學性問題。研制的化學反應速率比較儀利用DISLab壓強傳感器將反應過程中產生氣體引起裝置內的壓強隨時間的變化通過采集器實時記錄，繪制成壓強隨時間變化圖象，直觀、靈敏度高，能準確的記錄出整個反應過程中的壓強變化情況，將感性現象以數顯、圖表的形式顯示出來，有利于定量觀的形成，及數顯分析能力和理性思維的培養；設計的自制恒壓裝置能夠有效的避免加液引起壓強的變化，同時也解決了氣壓升高液體無法順利加液的問題；搭配同流閥可使兩邊液體的流速和流量保持一致，有效的控制單一變量；還可利用軟件繪制曲線的斜率，將化學反應速率直接量化，使實驗效果更佳。

5 展望

通過不斷的操作、調整儀器的結構，讓儀器操作更方便、更穩定；準備將對儀器的外觀進行改進，達到即美觀又好用；若有條件擬將對本儀器的軟、硬件進行再改進，讓這套化學反應速率檢測裝置更加的完善，希望能將其應用到更多的領域（跨學科——生物學等）。

參考文獻：

[1]龔國祥.“化學反應速率”教學實錄[J].化學教學，2011（9）.

[2]洪湘瓊.基于概念轉變的教學創新與實踐——“化學反應速率”第1課時的教學設計[J].化學教育，2013（10）.

[3]楊帆.有關化學反應速率與化學平衡中幾個概念的探討[J].化學教與學，2013（1）.