基于智能手機光傳感器探究濃度對化學反應速率的影響

柴紅梅，閆婷婷，任宜霞，楊子涵，張妍妍

(延安大學化學與化工學院；陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西延安716000)

人教版《高中化學(選修4)》第二章第二節在探究“反應物濃度對化學反應速率的影響”實驗[1]是高中階段化學學習的重點內容，也是教學中的重點。但存在以下問題：

(1)沒有明確指定H2SO4溶液的濃度和體積及酸化時間等。在實際實驗操作中，對實驗結果影響較大。本實驗目的是加入較濃的H2C2O4溶液時褪色更快，但是有時候也會出現反常現象[2]。

(2)實驗中用肉眼判斷反應褪色的時間是建立在感官的觀察基礎上，但學生對顏色變化的感知有所不同，所以很難確定反應褪色的真實時間，導致結果偏差較大。

近年來智能手機傳感技術已成為十分令人關注的研究熱點[3-5]。李嘉[4]利用手機的圖像傳感器及App軟件Color Grab來獲取FeCl3溶液的圖像，通過比較色差值大小來探究濃度對化學平衡的影響，但是并未直接給出濃度與時間的關系。本文利用比較普及的智能手機及光學傳感器App作為檢測器、單色Led燈作為光源，通過檢測反應體系透過光強度與時間關系來計算吸光度與時間的關系，分別探究高錳酸鉀酸化時間和不同反應物的初始濃度對反應速率的影響，建立一種簡單、便攜、經濟和嚴謹直觀的方法來研究反應物濃度對反應速率的影響。

該方法不僅通過自組裝實驗裝置，將化學實驗現象及時、快捷地轉化為實驗數據及相應的曲線變化，讓學生快速理解實驗現象，掌握實驗結論，幫助學生掌握控制變量法、數據的處理和分析方法，而且減小肉眼對反應褪色時間判斷的誤差，更為視覺障礙的學生提供幫助，適用人群廣泛，將為智能手機引入實驗提供一定借鑒，使學生對探究活動的積極性更高，有利于培養學生的觀察和分析圖表的能力，從而更好地體現化學學科核心素養體系中的科學探究與創新意識。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.2 主要實驗儀器和試劑

智能手機、517～525 nm綠色Led小燈珠

(2.8 V-3.4 V)、電腦、比色皿；

0.01 mol/L高錳酸鉀(KMnO4)溶液、4 mol/L硫酸(H2SO4)溶液、0.05 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L草酸(H2C2O4)溶液和蒸餾水。

1.3 實驗過程

(1)手機安裝App：打開智能手機軟件商店應用，查找phyphox軟件，下載并安裝；

(2)按照圖1組裝實驗儀器：將手機、比色皿和綠色led小燈珠放置于暗箱中，注意將光源對準智能手機光感應口；

(3)在室溫下，用移液管依次移取一定體積的KMnO4溶液，蒸餾水(為了使反應體系總體積不變)，一定體積的H2SO4溶液置于試管中，搖勻放置一定時間后，加入一定體積的H2C2O4溶液(加入一半時開始計時)，再次搖勻，迅速置于比色皿并放入實驗裝置(見圖1所示)，當時間為60 s時點擊手機App(phyphox)(如圖2)軟件中light項右上角白色三角形進行測量，此時體系透過光強度隨時間進行變化，如圖3所示，等光強度基本穩定后，點擊右上角白色雙豎線暫停；后點擊右上角白色三點，選擇“Save experiment state”中“share”用微信、QQ或者其他方式導出數據[5]，同時目測剩余溶液褪色時間t/s；

圖2 “phyphox”軟件

圖3 light測量圖

(4)數據處理：按照A=-lgT=-lg(I/I0)，求出溶液的吸光度A，并繪制A-t曲線。

2 結果與討論

2.1 不同草酸濃度下硫酸濃度對反應速率的影響

分別移取0.50 mL KMnO4溶液、8～0 mL蒸餾水、1～9 mL H2SO4置于試管中，搖勻，酸化300 s鐘后立即加入不同濃度的H2C2O4溶液各4.00 mL，按照實驗方法測得的結果見表1和圖4。

由表1可知，智能手機與人眼目測反應體系褪色所需的時間差異較大，這是因為人的肉眼對顏色的感知差異，對反應體系褪色的終點判斷不同，一部分人對反應體系褪色終點的感受具有延遲性，一部分人可能有超前性，判斷反應褪色終點因人而異，導致每個人所記錄反應體系褪色的時間與智能手機所記錄的反應體系褪色的時間有明顯區別。結合圖4分析得，控制其他反應物的條件不變，改變硫酸的濃度，對整個反應體系的影響特別大，在同一濃度草酸溶液下，硫酸的濃度增加，反應體系褪色時間逐漸減少，反應速率加快。但是在同一硫酸濃度下，當草酸濃度較大時，隨著草酸濃度的增加，反應速率逐漸加快，但是當草酸濃度較小時，反應速率反而較快[6]，這種反常現象與文獻一致，所以結合學生實驗時褪色不易過長和過短，選擇反應體系中所加入的草酸濃度不宜過低，硫酸體積為3.00 mL左右。

表1 在不同草酸濃度下硫酸濃度對反應速率的影響對比

注：t0.05表示反應體系加入0.05 mol/L H2C2O4溶液，反應褪色所需的時間，其他依次類推。

圖4 不同草酸濃度下硫酸濃度對褪色時間的影響

2.2 不同草酸濃度下酸化時間對反應速率的影響

取KMnO4溶液0.50 mL、H2SO4溶液3.00 mL置于試管中，搖勻，放置不同的時間后分別加不同濃度的H2C2O4溶液4.00 mL，按照實驗方法進行實驗，結果見表2和圖5。

由表2進一步可以證明肉眼觀察的局限性，結合表2和圖5可知，酸化時間對反應速率的影響不可忽視，在同一草酸濃度下，隨著酸化時間的增加，反應速率逐漸加快，在酸化300 s后，不同濃度的草酸溶液使高錳酸鉀溶液褪色的時間基本趨于一致。其中的原因主要可能是在酸性條件下，隨著酸化時間的不斷延長，體系中二價錳離子逐漸增多，二價錳離子的催化作用導致反應速率加快，最終以二價錳離子的催化作用為主[7]。在酸化時間較短時，隨著草酸濃度的增加，反應速率先加塊后減慢，在酸化時間較長時(大于240 s)，隨著草酸濃度的增加，反應速率逐漸加快。因此，結合有限的課堂實驗時間內，建議高錳酸鉀溶液即用即酸化，酸化時間不可提前過長，可提前酸化300 s左右，實驗效果更佳。

表2 不同草酸濃度下酸化時間對反應速率的影響對比

圖5 不同草酸濃度下酸化時間對褪色時間的影響

2.3 不同草酸濃度下高錳酸鉀濃度對反應速率的影響

按照試驗方法，在4.00 mL不同草酸濃度下試驗了不同高錳酸鉀濃度(0.10、0.30、0.50、0.70、1.00mL)對反應速率的影響，結果見圖6。

從圖6可見，在同一濃度的草酸溶液中，當高錳酸鉀溶液濃度增加時，反應體系褪色時間快慢有所區別，在低濃度的高錳酸鉀溶液(0.10 mL、0.30 mL)和低濃度的草酸溶液(0.05 mol/L、0.1 mol/L)時，由于反應物溶液濃度均過小，所以溶液褪色時間較其高濃度的反應物褪色時間緩慢，因此高錳酸鉀溶液的濃度不宜過小；同時，在同一濃度的高錳酸鉀溶液中，草酸溶液濃度增大不利于產物—硫酸鉀、硫酸錳和二氧化碳的擴散，當草酸溶液濃度增大到一定程度時，反應速率反而變慢[8]。當高錳酸鉀溶液體積從0.50 mL增加至1.00 mL時，溶液褪色時間變化不大，建議在課堂的有限時間內，實驗選擇高錳酸鉀溶液的體積為0.50 mL左右較為適宜。

圖6不同草酸濃度下高錳酸鉀濃度對褪色時間的影響

3 結論

隨著反應物濃度的增加和酸化時間的延長，反應速率基本都是加快，但是在酸性較大的高錳酸鉀溶液與草酸溶液的反應體系中，草酸溶液濃度越小，反應速率越快。結合課堂有限教學時間內，建議選擇0.01 mol/L KMnO4溶液0.50 mL、4 mol/L H2SO4溶液3.00 mL、酸化300 s左右后立即分別加入不同濃度的H2C2O4溶液各4.00 mL進行試驗。

在這個信息化的時代下，智能手機基本人手一部，而且被廣泛應用于各個領域，在智能手機中隱藏著很多不同的傳感器，如重力傳感器、溫度傳感器、距離傳感器、光線傳感器等，而且智能手機中有一些傳感器的App與之對應。基于傳感技術的科學實驗，是以傳感器為核心工具，與信息技術相整合，實現了科學實驗過程中數據自動采集、直觀顯示以及實驗數據的圖形化[9]。有望把智能手機傳感技術應用于各類教育領域中，如中學、大學等的化學、物理和生物實驗中，既豐富了教學工具，降低了實驗成本，提高了實驗的趣味性、準確性與科學性，又體現教育教學的現代化與信息智能化，激發了學術的實驗興趣。