基于智能手機傳感器的手持技術在化學實驗中的應用

洪俊華 趙寧東 劉俊 劉江

摘要：為研究碘鐘振蕩反應隨氫離子濃度的變化規律，在自制“暗箱”內以LED燈作為光源，用手機軟件和手機內置光線傳感器做檢測系統，將透過不同濃度氫離子碘鐘振蕩體系光強度變化轉化為數字信號的變化，繪制出碘鐘振蕩反應周期性變化曲線。實驗結果表明：隨著氫離子濃度的改變，振蕩周期、周期穩定性及各階段持續振蕩時間變化能在曲線上表現出來。為研究碘鐘反應提供一種新的技術和方法。

關鍵詞：振蕩反應;手機傳感器;數字信號;碘鐘反應

文章編號：1008-0546（2020）09-0085-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

手持技術是由傳感器、數據采集器和配套分析軟件組成的實驗技術系統，它不僅是一種先進的定量采集科學實驗中各種常見數據呈現直觀可視的曲線圖像的現代教育信息技術，也可以作為有助于學生克服抽象概念學習難點的認知工具。

振蕩反應是指在某一體系中，某些狀態量（如物質的濃度，電極電勢）隨時間、空間發生周期性變化的反應。在自然界中有很多生物化學例子，如動物的脈搏、體溫、血壓隨著晝夜變化做周期性變化，控制人體生理活動的“生物鐘”，昆蟲翅膀周期性的振動等。非生命的碘鐘反應也是一種化學振蕩反應，神奇的現象吸引著科學愛好者。綜合分析文獻資料發現，化學教育領域關于碘鐘實驗的報道多集中于化學史的梳理及用不同的試劑來完成實驗設計，在實驗過程中多數采用肉眼觀察顏色變化和計時器計時的方式研究周期性變化和反應持續總時間。碘鐘反應顏色振蕩具有動態性，靠肉眼觀察顏色變化很難準確判斷顏色變化的關鍵點，不方便計時。林瑞蓮等通過自編計算機程序的方法改進了碘鐘實驗中數據采集與處理，實驗過程需要手動點擊鼠標完成數據的記錄。孫影等利用氧化還原傳感器（ORP）與相應數據采集器獲取反應過程中體系“時間一電位”變化，從微觀角度幫助學生了解實驗現象背后的反應本質，效果好于肉眼觀察。

在碘鐘振蕩體系中溶液呈現出“無色一琥珀色一藍色”周期性變化。基于此，用“Phyphox”軟件調用手機內置傳感器，把透過碘鐘振蕩體系光強度的變化轉化為數字信號變化并繪制成信號變化曲線，曲線能夠直觀地顯示振蕩體系顏色的變化，解決了振蕩實驗的實驗顏色變化終點難以捕捉和計時不方便的問題。

一、實驗

1.實驗器料與藥品

（1）實驗器材

電子天平（梅特勒一托利多儀器（上海）有限公司），智能手機（華為FIG-ALOO），筆記本電腦，燒杯，量筒，LED燈，自制“暗箱”。

（2）實驗藥品

所有藥品均為分析純。碘酸鉀、丙二酸、硫酸錳（MnSO4·H2O）、可溶性淀粉、30%過氧化氫、濃硫酸。

2.溶液的配制

溶液A：將97.OmL 30%過氧化氫溶液加水稀釋至250mL;溶液B：將2.61g丙二酸和0.76g硫酸錳及0.10g可溶性淀粉溶解稀釋至250mL;溶液C：根據表1用硫酸調節氫離子濃度，保持逐級遞增0.06mol/L，形成氫離子濃度不同的8種濃度為0.20mol/L碘酸鉀溶液。

3.實驗過程

在手機“軟件市場”搜索“傳感器套件：phyphox”（3.3M，免費）下載安裝。啟動軟件，點擊“Light”菜單調用手機內置光線傳感器，點開手機右側功能選項卡“Allow remote access”菜單方框中打勾激活數據共享功能，電腦瀏覽器菜單欄中輸入手機屏幕下方彈出的地址使二者建立連接，實現電腦上控制手機軟件及觀察曲線變化和保存實驗數據，“Time Run”菜單打勾設延時5s，持續記錄時間設為500s，也可根據需要設置。

搭建圖1所示的實驗裝置，在自制“暗箱”頂部固定一個LED燈，通電點亮預熱5min。關閉手機屏幕“自動亮度模式”并調至適宜亮度置于LED燈正下方，把小燒杯放到手機的光線傳感器正上方。運行軟件，觀察到曲線呈穩定的水平直線即可開始實驗。加入20mL溶液A、20mL溶液B，在電腦點擊“開始”按鈕運行程序，立即加入20mLCl溶液混合，體系氫離子濃度為原來的1/3即0.02mol/L，攪拌均勻關閉暗箱，在電腦觀察曲線變化，待曲線下降到最低點不再變化時停止實驗，點開電腦右側更多功能選項卡“Export Data”菜單以“Excel”的形式導出“時間-光強度”數據存入電腦待用，重復實驗兩次。按上述方法，測其余7組不同氫離子濃度時間與光強度變化的數據。

二、實驗結果與分析

將所得實驗數據導入“Origin2017”以反應時間為橫坐標，光線強度為縱坐標繪制“時間-光強度”變化曲線如表2（表中氫離子濃度為三種溶液等體積混合后濃度）。利用“Origin”自帶的“數據讀取器”讀取相鄰兩個峰最高點的時間差計算出振蕩周期，表3為振蕩次數和各階段持續時間（均為三次實驗平均值）。

通過分析表2和表3可以得出：不同氫離子濃度振蕩體系周期變化、周期穩定性及振蕩持續總時間不相同。氫離子濃度為0.02mol/L體系現象不明顯，氫離子濃度為0.04mol/L體系振蕩持續總時間最長，振蕩次數最多;氫離子濃度為0.06、0.08mol/L的體系振蕩持續總時間較長。氫離子濃度為0.16mol/L的持續總時間最短，振蕩次數最少。氫離子濃度從0.04mol/L起，隨著氫離子濃度的增大，周期和藍色持續時間變長，振蕩次數和持續總時間減少。在同一氫離子濃度體系中，隨著反應的進行，周期和藍色持續時間變長，振蕩結束時曲線下降到最低點，圖2代表振蕩過程中“無色一琥珀色一藍色”的顏色交替變化過程。

振蕩過程實際上是碘元素發生歧化反應的過程，過氧化氫既做氧化劑又做還原劑。一定濃度氫離子，改變碘酸根離子的氧化性，主要存在以下反應：

曲線變化與溶液顏色變化一一對應，溶液混合初碘離子濃度較低，二價錳離子被氧化成三價錳離子且濃度逐漸增大（1）-（2），體系顏色由無色變為琥珀色，曲線從最高點開始下降（圖3A→B段）。隨著反應進行碘離子濃度增大，碘酸根與碘離子反應產生碘單質不斷積累和淀粉反應使體系成藍色（3），曲線迅速下降到最低點（圖3B→C段），藍色持續時間為（圖3C→D段），碘單質與丙二酸反應生成碘代丙二酸，碘單質濃度降低，藍色褪去體系變為無色（4），曲線迅速上升（圖3D→E段），體系為無色時曲線達到最高點（圖3E點）。三價錳離子具有較強的氧化性，碘代丙二酸被氧化成甲酸，二氧化碳和碘離子（5），同時三價錳離子被還原成二價錳離子，完成振蕩周期（圖3A→E段和F→G段）。反應過程中產生的次碘酸具有自催化作用，下一個振蕩反應又開始。隨著氫離子濃度增大碘酸根的氧化性增強，產生的碘單質增多，丙二酸消耗碘所需時間變長，藍色持續時間變長。在同一氫離子體系中，隨著反應進行產生的碘單質不斷積累，丙二酸濃度降低，藍色持續時間變長。最終因大量的碘單質不斷積累不能被丙二酸消耗完體系成深藍色，顏色振蕩停止。

實驗中應注意，筆記本電腦和手機必須連接同一個無線局域網，LED燈的亮度800-1400Lx為宜;軟件設置延時可以減少操作對實驗的干擾，延時設為5s即點擊“開始”5s后開始采集記錄數據，可充分利用延時功能減少實驗干擾。實驗廢液中有大量碘單質應妥善處理回收利用，減少環境污染。

三、結論

實驗通過“Phyphox”軟件調用智能手機內置光線傳感器把光信號的變化轉化為數字信號的變化，將實驗現象變化動態過程以曲線形式直觀清晰的表達出來，實現了數據和圖像相結合，最終將圖像呈現在電腦屏幕上。手機內置傳感器結合相應的應用程序能快速地把物理量變化精確的轉化為數字信號變化，并能自動采集、處理加工傳輸，且數據的變化與實驗現象變化和過程同步。在實驗教學中充分借助智能手機和相應軟件調用手機自帶的傳感器組織實驗教學、記錄學生實驗數據與過程，構建新型實驗教學模式。結合時下前沿科技，在實驗教學時采用多種傳感器對反應體系進行測量，從多個角度進行多因素探究。以智能手機實驗作為起點將實驗與人工智能、大數據相結合讓實驗教學數字化，現象和過程可視化。