指向核心素養培育的微科技項目

凌一洲 楊建 任澤中 高文蓓

摘要： 在中考化學試題中，常涉及生成氣體（如氫氣、二氧化碳和氧氣）的質量隨時間變化的曲線圖。研究發現，此類試題的一些相關曲線圖存在科學性問題。基于數字化的實驗研究表明，此類反應生成氣體的速率在直角坐標系內并不是呈現上升型的一次函數圖像，而是整體呈上升趨勢且越來越平緩的曲線。在中考命題時，涉及的圖像素材應該盡量真實合理，這樣才能充分發揮考試的評價功能，同時提高學生的數形轉化能力。

關鍵詞： 中考化學題; 圖像題; 科學性; 一次函數圖像

文章編號： 10056629（2019）4008104中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

在化學教學中，圖像不僅是信息呈現的重要方式，也是研究和處理化學問題的一種常用方法，因而圖像題備受中考化學命題者的青睞。

前不久，我們統計了近兩年全國各地的120份中考化學試卷，發現其中有50多道試題涉及反應生成氣體（如氫氣、氧氣、二氧化碳）的質量隨反應時間變化的曲線圖，如2017年甘肅省蘭州市、四川省南充市和山東省煙臺市的中考題，以及2018年湖北省咸寧市及隨州市的中考題等。我們借助于文獻[1～3]及數字化實驗等研究手段發現，上述圖像存在一定的科學性問題。

1 圖像題實例

下面我們選取2017年甘肅省蘭州市的有關中考化學圖像題[4]進行分析、研究。

本題的A、 C選項，是直角坐標系內反應生成氧氣、氫氣的質量隨時間變化的函數圖像，即生成氣體的速率圖。在真實的反應過程中，生成氣體的速率圖像是否呈一次函數方式上升呢？我們從理論和實驗兩個方面，對此問題進行了研究。

2 理論分析

針對某一特定的化學反應（如雙氧水分解放出氧氣、活潑金屬與酸溶液反應放出氫氣、碳酸鈣與鹽酸反應放出二氧化碳氣體等），影響反應速率的因素有反應物的濃度、反應體系所處的環境溫度、反應物的形狀、生成物的溶解性、催化劑等。一般來講，如果反應物的濃度大、反應的溫度高、反應物的比表面積大，那么微粒之間發生有效碰撞的機會就多，即反應速率就很快。

不難想到，由于在反應過程中反應物的濃度越來越小，而且反應的溫度、反應物的比表面積也都處于變化之中，因此生成氣體的量與反應時間的關系并不是單純的正比例關系，即直角坐標系內的反應速率曲線圖并不是上升型的一次函數圖像。

3 實驗探究

我們選用蘇威爾數字化實驗儀器進行有關的實驗驗證。

由于氫氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器的最大量程有限（一般低于10%），不適合測定此類反應生成的氣體體積，因此本實驗都采用氣體壓強傳感器測定生成氣體的量（這樣也便于實驗操作）。由于氣體的壓強受溫度的影響較大，為了減少溫度對氣體壓強的影響而引起的誤差，我們一方面注意選用低濃度的反應物，另一方面將氣體發生裝置浸在冰水中。冰水的作用是使反應的溫度控制在相對恒定的條件下，使得到的曲線更加清晰、誤差更小。

3.1 測定過氧化氫分解產生氧氣的量隨反應時間變化的曲線圖綜合考慮反應放熱、反應速率等因素，我們選用3%的過氧化氫溶液與二氧化錳粉末進行實驗。

3.1.1 實驗用品

3%的過氧化氫溶液、粉末狀二氧化錳和冰水等蘇威爾溫度傳感器（型號ZC0009），蘇威爾壓強傳感器（型號ZC0024），250mL的三口燒瓶（含配套的單孔橡皮塞），10mL的注射器等

3.1.2 實驗裝置

3.1.3 實驗步驟

（1） 在三口燒瓶內放入適量的二氧化錳，在其左、右支管口上分別插入壓強傳感器和溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內預先吸入10mL3%的過氧化氫溶液），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示，連好整個實驗裝置。

（2） 打開蘇威爾軟件，點擊“開始”按鈕，同時推動注射器活塞將雙氧水緩慢注入到三口燒瓶內。此時，電腦屏幕上就開始顯示反應過程中裝置內的氣體壓強、溫度隨反應時間變化的曲線（見圖2、圖3）。

（3） 重復上述實驗3～4次，我們發現每一次測得的結果都極為相似。

3.2 測定碳酸鈣與鹽酸反應生成二氧化碳的量隨反應時間變化的曲線圖大理石、石灰石、碳酸鈣等都能與鹽酸反應生成二氧化碳氣體，但綜合考慮反應放熱、反應速率等因素，我們選用碳酸鈣粉末和0.73%的稀鹽酸進行實驗。

3.2.1 實驗用品

0.73%的稀鹽酸、碳酸鈣粉末、冰水等。儀器同實驗3.1

3.2.2 實驗步驟

（1） 在三口燒瓶內加入0.51g碳酸鈣粉末，在其左、右支管口上分別插入壓強傳感器、溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內預先吸入10mL0.73%的稀鹽酸），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示連好整個實驗裝置。

（2） 打開蘇威爾軟件，點擊“開始”按鈕，同時推動注射器活塞將稀鹽酸緩慢注入三口燒瓶內。此時，電腦屏幕上就開始顯示反應過程中裝置內的氣體壓強及溫度隨反應時間變化的曲線（見圖4、圖5）。

（3） 重復上述實驗3～4次，我們發現每一次測得的結果都極為相似。

3.3 測定鎂與鹽酸反應生成氫氣的量隨反應時間變化的曲線圖活潑金屬都能與鹽酸反應放出氫氣，但綜合考慮反應速率、反應放熱等因素，我們采用潔凈的鎂條與2%的稀鹽酸反應進行實驗。

3.3.1 實驗用品

2%的稀鹽酸、潔凈的鎂條、冰水等，儀器同實驗3.1。

3.3.2 實驗步驟

（1） 在三口燒瓶內放入0.05g潔凈的鎂條，在其左、右支管口上分別插入壓強傳感器、溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內預先吸入10mL2%的稀鹽酸），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示連好整個實驗裝置。

（2） 打開蘇威爾軟件，點擊“開始”按鈕，同時推動注射器活塞將稀鹽酸緩慢注入三口燒瓶內。此時，電腦屏幕上就開始顯示反應過程中裝置內的氣體壓強及溫度隨反應時間變化的曲線（見圖6、圖7）。

（3） 重復上述實驗3～4次，我們發現每一次測得的結果都極為相似。

4 實驗的注意事項

（1） 在裝入藥品之前要檢查裝置的氣密性，即輕輕用力向下推動注射器活塞一小段距離，然后松開手，若活塞能很快恢復到原來的位置，則裝置的氣密性良好。為了確保實驗裝置具有良好的氣密性，三口燒瓶上的單孔橡皮塞一定要塞緊。

（2） 實驗過程中要嚴格控制三口燒瓶內的氣體壓強（以不超過150kPa為宜），以防氣體較多引起容器沖塞，造成實驗失敗甚至釀成實驗事故。

（3） 實驗結束，立刻拔掉三口燒瓶上的橡皮塞（防止瓶內氣壓過大引起沖塞），然后整理實驗用品，處理實驗數據。

5 實驗分析與結論

從上述溫度變化曲線圖可以發現，反應過程中溫度的變化并不明顯，說明利用冰水控制實驗體系的溫度是有效的，因此借助于氣體壓強傳感器測量反應生成氣體的量是可行的，相關的誤差也是合理的。

從上述生成氣體的量隨反應時間變化的曲線圖可知，反應生成氣體（氧氣、二氧化碳、氫氣）的?量隨反應時間變化的曲線并非是以一次函數的形式直線上升，而是先快速上升再緩慢上升直至水平。這主要是因為反應物濃度不斷減小，引起了反應速率的逐漸減緩。

6 結束語

總之，上述系列實驗，設計科學、操作可行、結論可靠，不僅豐富了實驗教學資源，還可以作為學生的探究性學習范例。

另外，我們在命制這類中考圖像題時，涉及的化學反應生成氣體的速率圖，既要符合事實（曲線總體呈上升趨勢且逐漸平緩），又要簡單實用好看（曲線的線條盡量平滑，如圖8所示），從而在確保試題科學性的前提下有利于學生答題。

參考文獻：

[1]包朝龍. 寧波市高中化學創新實驗作品薈萃[J]. 化學教學， 2014， （11）： 42～45.

[2]邱聯妹. 利用數字化儀器探析氧氣收集實驗中的純度問題[J]. 化學教與學， 2017， （8）： 88～90.

[3]夏建華， 楊靜. 基于學科核心素養的初中化學科學探究——以“探究鋁和稀鹽酸、 稀硫酸反應”為例[J]. 化學教學， 2017， （5）： 46～50.

[4]2017年蘭州市初中學業水平考試·化學（A）[EB/OL]. http：//www.zxxk.com/soft/6444463.html， 2018-7-26.