壓強對反應速率的影響實驗探索

顧仲良 周學工

摘要：指示劑溴百里香酚藍（BTB）溶液的變色范圍正好處于H2C03溶液濃度變化的區間，利用在不同C0²氣體壓強下，指示劑顏色變化的快慢，結合智能手機光傳感器技術手段或多媒體照片RGB編碼技術手段，采集并導出指示劑顏色變化產生的光學數據，繪制與H²C0³濃度變化相關聯的光學數據變化曲線，來探索研究C02氣體壓強對二氧化碳與水生成碳酸反應速率的影響。

關鍵詞：壓強;反應速率;溴百里香酚藍;光傳感器;吸光度

文章編號：1008-0546（2020）04-0093-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.025

壓強是影響化學反應速率的因素之一，人教版和蘇教版教材中都沒有通過實驗來探索壓強對反應速率影響，而是直接進行圖示分析和本質解釋[1，2]。很多化學同行也有較多對此實驗的研究，王井明[3]老師通過空氣壓強對熏香火星的變化來研究壓強對反應速率的影響，但熏香火星變化在瞬間，不易使學生視覺捕獲。王敬義、李雙、霍愛新[4]提出利用壓強傳感器與酸度傳感器結合，探究壓強對反應速率的影響，所需硬件條件和技術條件要求過高，而尚未配備手持技術實驗裝備的高中學校難于實現。基于以上因素，開發利用H²CO³指示劑溴百里香酚藍來實驗，通過手機App軟件PHYPHOX的光感強度變化曲線或數碼照片RGB值吸光度變化曲線，來探究CO²氣體壓強對CO²（g）+H²0（1） H²CO³（aq）反應速率的影響。

一、實驗原理

1.溴百里香酚藍

溴百里香酚藍（Bromothmol blue，縮寫BTB）是一種白色晶體，別名溴麝香草酚藍，分子式C²⁷H²⁸Br²0⁵S，分子結構如圖1所示。

溴百里香酚藍是一種小范圍精密酸堿指示劑，其變色范圍為pH值6.0～7.6，堿性呈藍色，酸性呈黃色，過渡態呈綠色（見圖2）。生物學中常用于植物種子或微生物在水中呼吸作用產生的微量CO²氣體的檢測，因其生成的H²CO³濃度的大小正好影響其變色，當呼吸作用產生少量CO²時，溶液由藍變綠，當呼吸作用產生CO²量增大時，溶液由綠變黃，以此來證明生物體的生命活躍程度。

2.App：PHYPHOX

PHYPHOX是德國亞琛T業大學的學者基于手機白帶或外掛傳感器開發的一款軟件，可通過智能手機測量加速度、角速度、光強度、磁場強度、氣壓、聲音的振幅和頻率等29種物理量，還可以多個傳感器模塊化組合，研究更為復雜的物理現象。實驗數據以圖表或數字的形式呈現，并可以EXCEL等多種格式導出為電腦文件。本實驗中借助智能手機的光傳感器，利用可見光透過不同顏色溶液后光線強度的變化（本實驗中為增強）來說明H2C03濃度的變化。

3.RGB值吸光度

多媒體數碼照片格式常用RGB標準來表達每一點像素，通過R（紅）、G（綠）、B（藍）三種顏色通道相互之間的比例疊加來得到一千六百七十多萬種不同的顏色（32位處理系統）。肉眼對數碼照片顏色的觀察也是通過屏幕顯示光的波長不同來實現的，所以RGB值與光的波長是有函數關系的，即可以簡單地用RGB三個中的任意一個值的變化（通常選擇干擾小的、變化明顯的）來表示吸光度（A）變化，換算公式如下： A=-log（Iⁿ/I⁰） 10、Iⁿ分別表示初始溶液照片和樣品反應過程中照片取若干個像素點的RGB中的一個值的平均數（本實驗中G值變化最為明顯）。

二、實驗過程

1.實驗藥品與儀器

（1）藥品：溴百里香酚藍（天津市致遠化學試劑有限公司），1%稀氨水，蒸餾水，二氧化碳氣體，某品牌無色汽水。

（2）儀器：lOOmL注射器，lOOmL圓底燒瓶，橡皮塞，Y形試管，移液管，膠頭滴管，裝有安卓系統及PHYPHOX軟件的智能手機，LED手電筒，黑色紙片。

2.實驗操作與步驟

（l）溴百里香酚藍水溶液的配制

取0.5g溴百里香酚藍晶體，溶解于煮沸過的500mL蒸餾水中，待溶解后用濾紙過濾去不溶性殘渣，滴入1滴1%的稀氨水，使溶液呈藍色，保存于棕色試劑瓶中，可長期使用[5]。

（2）用智能手機光感應器測試透光性

在一支圓底燒瓶中注入30mL溴百里香酚藍水溶液，塞緊橡皮塞，半傾斜式置于事前制作好的空心黑紙質網筒上，并用鐵夾固定。打開置于燒瓶上方的LED手電筒，關閉室內光源，將智能手機的PHYPHOX打開后放置于空心網筒底部，僅在紙筒內露出光感應器接受光線，避免屏幕光線影響光感應器（如圖3）。

用注射器向燒瓶中注入15mL CO²氣體，觀察溶液的顏色變化。七分鐘后停止實驗，取出手機，保存實驗數據。另取一支同批號的圓底燒瓶，加裝試劑后，微調燒瓶與紙筒的位置，使手機顯示的光感值與前一次實驗初始時的光感值盡量接近，然后注入30mL CO²氣體，反應相同的時間，觀察顏色變化并保存實驗數據。

從手機上導出兩次的實驗數據，以EXCEL格式生成文檔，傳輸到電腦上，刪除初始調節儀器時的無效數據，兩次反應各獲得6288個有效數據，對每lOs內的約124個數據取平均值，各得到43個每lOs變化的平均值，用EXCEL軟件繪制成曲線（如圖4），進行對比分析。

（3）透光性變化曲線的分析

從圖像中可以看到，充入30mL C0²氣體的透光性增強的比充入15mL CO²氣體的要明顯，說明CO²氣體壓強越大，溶液PH值下降地更快，溶液的顏色更快地由透光性弱的藍色向透光性強的綠色和黃色變化。以此可以證明增大CO²氣體的壓強，產生H²CO³的速率就越快，即加快了CO²（g）+H²O（l） H²CO³（aq）反應的速率。

（4）利用RGB值繪制吸光度變化曲線

取兩支相同批號的Y形試管，分別在一個分支管中，用移液管或較長的膠頭滴管各注入2mL溴百里香酚藍水溶液，塞緊橡皮塞。用較長的膠頭滴管分別向另一個支管中各注入2mL、4mL某品牌無色汽水，觀察溶液的顏色變化快慢，并用手機或其他攝錄設備錄下兩個Y形試管中的溶液顏色變化，注意兩個Y形試管要置于光線對等位置攝錄（如圖5），Smin后停止實驗。

把視頻文件導入電腦，用播放軟件打開視頻，暫停視頻在未注入CO²時，用QQ、360瀏覽器等截圖軟件或專用RGB屏幕取色軟件（PIEXL等），讀取兩個試管中顏色RGB值中的G值，每個支管中點取顏色最清晰的五個像素，輸入EXCEL表格中，求取平均值作為Io。然后每lOs暫停一次，用相同的方法獲取G值作為In，根據公式獲得各31個吸度光（A）值，并用EXCEL繪制吸光度變化曲線（如圖6）。

（5）吸光度變化曲線的分析

從圖像可以看出，放入4mL汽水的Y形試管中，汽水釋放的CO：氣體要多，容器內的壓強比放入2mL汽水的Y形試管中要大，而溴百里香酚藍溶液更快地從藍色轉變為綠色，最后轉變為黃色，所以溶液的吸光度下降明顯要快。證明了增大CO²氣體的壓強可以使產生H²CO³的速率加快，即加快了CO²（g）+H²O（l） H²CO³（aq）反應的速率。在實驗后期，吸光度比較接近，可能是由于溶液吸收的CO²已經趨于飽和，所以吸光度數值比較接近。

三、評價與結語

實驗采用生物學研究中的專用指示劑溴百里香酚藍，實現學科之間的知識互補，培養學生跨學科研究的意識。實驗通過簡單易得的裝置，將抽象的理論轉化為直觀的實驗現象并得到真實的實驗數據，不僅增加了該理論的說服力，而且還培養了學生測定數據、處理數據、分析數據、解讀數據的能力，發展學生“證據推理與模型認識”的核心素養。雖然通過簡單的儀器測量獲得了大量的光學數據，但實驗手段和實驗設備還是很粗糙的，獲得的數據也存在較大的誤差，如何設計更佳的實驗方案，以提高信噪比，減小實驗誤差，才能使實驗的數據更具有科學性，這也是本實驗改進優化的方向。我們通過現代的科技手段，在學生觀察實驗的過程中，配以數據化處理，使學生更能體會實驗所蘊含的化學原理，加深對化學知識的理解和應用。

參考文獻

[1] 宋心琦.化學（選修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：21

[2] 王祖浩.化學反應原理（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：37

[3] 王井明.壓強對化學反應速率的影響的實驗設計[J].實驗教學與儀器，2009（12）：26

[4]王敬文，李雙，霍愛新.基于手持技術探究壓強對化學反應速率的影響[J].教育與裝備研究，2019（2）：86-88

[5] 高海元.淺談溴麝香草酚藍[J].生物學教學，2013，38（IO）：63