利用智能手機探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液是否反應

摘要：應用智能手機的壓強傳感器配合自開發的APP測量氫氧化鈉溶液和水分別加入到盛有二氧化碳的集氣瓶中后密閉容器內壓強的變化，并分別繪制出壓強的變化曲線，通過比較曲線來說明二氧化碳與氫氧化鈉發生了化學反應。該實驗方法操作簡便，獲取壓強變化曲線便捷，可以運用于各種測量密閉容器壓強變化的實驗中。

關鍵詞：壓強傳感器；真空保鮮盒；APP；智能手機

文章編號：1008-0546（2021）12-0082-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.020

一、問題的提出

氫氧化鈉與二氧化碳的反應是初中化學中非常重要的一個反應，但是該反應的反應現象不明顯（或者無明顯現象），從而導致學生難以判斷其產物，對于該反應的化學方程式的理解比較困難。而對于這類無明顯現象的反應，很多老師都采用了數字化實驗設計的方式來探究二氧化碳與氫氧化鈉的反應，分別采用氣壓或相對壓強、二氧化碳濃度、溫度、pH這四種傳感器分別測量氫氧化鈉與二氧化碳反應過程中四者的變化，從多個視角來探究該反應的發生，為廣大教師提供了寶貴的學習資源[1-3]。但是限于不同學校的實驗室條件限制，導致不是每個學生都有機會接觸或使用數字化實驗設備。目前的主流中高端手機基本都配置有加速計、陀螺儀、環境光傳感、GPS、磁場強度、近距偵測器、壓強等等甚至可以外接傳感器用于多種物理量的測定，讓智能手機變為一個可以隨時進行測量、即時對比實驗數據和學習的設備。因此筆者選擇使用手機壓強傳感器來探究二氧化碳與氫氧化鈉的特有現象，首先以小米手機6的BMP280壓強傳感器為例，手機壓強傳感器的穩定性（工作溫度范圍為-20℃到85℃）和數據采集的精度（分辨率0.12 Kpa）都相當高；其次壓強是研究氣體反應的一個重要的物理量，普通化學實驗室缺少能直接測定氣體壓強的設備，而引入手機壓強傳感器使得密閉容器內的氣體壓強數據更加直觀明了。所以筆者配合自己開發的手機APP設計了個新的實驗方法，并通過對比二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應和二氧化碳與水反應的壓強變化曲線來證明氫氧化鈉與二氧化碳發生反應。實驗結果表明該方法具有成本低，簡單便捷，易于普及推廣應用于其他的實驗之中，并且非常適合學生進行實驗的探究。

二、實驗原理與方法

將收集滿二氧化碳的500mL集氣瓶置于真空保鮮盒中，打開集氣瓶塞用滴管加入氫氧化鈉溶液，迅速關上真空保鮮盒的蓋子，通過振蕩使二氧化碳不斷與氫氧化鈉溶液反應，使真空保鮮盒盒內的壓強不斷減小，并利用自己開發的APP來采集真空保鮮盒盒內的壓強數據最后繪制成曲線，再通過對比二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應、二氧化碳與水反應兩條曲線的變化趨勢得出結論。

Phyphox是手機傳感器在中學化學實驗中應用較多的一款功能強大的軟件，它是德國亞琛工業大學設計開發的一款用途較廣的手機實驗傳感器軟件，可以直接調用手機內置的各種傳感器進行測量，監測手機的所處環境中各種物理量的變化并獲取相應的數據，而且能將測量的結果以數據或者曲線的形式呈現出來[4-5]。但其在手機壓強傳感器的數據采集上也存在不少缺點，例如Phyphox所繪制的曲線圖無法直接讀出各個采樣時間點的數據，需要導進電腦進行處理，無法設置壓強采樣的范圍等等。因此筆者自己開發了用于實驗的相關APP。

本實驗中使用的APP其運行界面（如圖1所示），在此進行簡單的介紹，延時設置的兩個輸入框分別控制壓強傳感器啟動延后時間（單位s）和采集壓強數據的頻率（單位s），次行采樣設置的兩個輸入框分別控制壓強傳感器的采樣持續時間（單位s）以及采樣的頻率（單位s），壓強設置的兩個輸入框分別控制壓強采樣的范圍（主要應用于碳酸鈉與碳酸氫鈉與酸反應的差異或比較金屬與不同濃度的酸的反應速率的探究等試驗）。先勾選試樣的次號，再點擊右側采樣按鈕來啟動壓強傳感器進行采樣，壓強傳感器開始按上方設置的時間和頻率采集數據，采樣完成之后可以點擊相應的繪圖按鈕來顯示密閉容器內壓強的變化曲線，并且可以通過手指的劃動來縮放曲線，再點擊各個采樣點可以直接獲取到壓強數據和采樣的時間點，再點擊保存可以將實驗數據保存在手機的根目錄下，完成多次實驗并保存之后可以通過勾選次號通過點擊導入按鈕來觀察不同次號實驗的曲線圖并進行比較，也可以將保存在手機根目錄下的數據文件直接導入Excel中進行分析。

三、實驗儀器及試劑

實驗儀器：智能手機一部（小米6）、3L真空保鮮盒、10 mL的滴管2根、3 m蘑菇搭扣、500 mL集氣瓶2個、二氧化碳簡易制取裝置、納米膠帶、藍牙鼠標

實驗試劑：15%氫氧化鈉溶液、蒸餾水

四、實驗步驟

（1）用排水集氣法將兩個500 mL的集氣瓶收滿二氧化碳氣體，擦干之后在集氣瓶瓶壁上貼上納米膠帶。

（2）如圖2所示搭好裝置，打開小米6手機并設置亮屏時間為永久，同時連接網絡（連接網絡是為了繪制曲線的功能啟動，如果無網絡，曲線繪制不成功的話，可以通過先保存再導入的方式繪制曲線）并打開藍牙以連接好藍牙鼠標，同時打開自開發的APP設置延時時間為10 s，采樣時間180 s，將手機通過蘑菇搭扣固定于真空保鮮盒的壁上以待用。同時將500 mL的集氣瓶置于真空保鮮盒之中，通過納米膠帶牢牢固定于真空保鮮盒的壁上，再用藍牙鼠標移動手機的指針點擊采樣按鈕開始數據采集，迅速用10 mL的滴管往集氣瓶底部滴加20 mL的15%的氫氧化鈉溶液，滴加完成之后蓋上真空保鮮盒的蓋子。

（3）等待5秒之后開始不停的搖動真空保鮮盒，直至APP中的壓強示數不再改變為止。待APP提示采樣完成之后，輕按真空保鮮盒的泄氣閥使真空保鮮盒內的壓強恢復到標準大氣壓取出手機并點擊繪圖按鈕，APP下方會出現壓強—時間的變化曲線（如圖3所示），可以通過手指的放大縮小點擊來得到不同時間點的壓強值，最后點擊保存按鈕來保存實驗數據。

（4）點擊清除按鈕后重新勾選實驗次數，用10 mL滴管往裝滿二氧化碳的500 mL集氣瓶加入同樣的水進行二氧化碳和水的反應，完成之后并保存數據。

五、數據分析和解釋

從圖3的密閉容器內的壓強變化曲線可以發現二氧化碳與氫氧化鈉、水反應之后密閉容器內的壓強都是減小的趨勢，且二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應比二氧化碳與水反應變化更為明顯。

將手機根目錄下保存的實驗數據導入到Excel合并得到二氧化碳與氫氧化鈉和水反應的壓強變化的曲線圖（如圖4所示），從對比曲線圖看出密閉容器內壓強的減小說明了二氧化碳與氫氧化鈉發生了化學反應而不僅僅是溶于水或者是與水發生了反應。

結合圖3和圖4也可以發現在前10 s未進行振蕩時，二氧化碳與氫氧化鈉的反應速率是非常慢的，但在振蕩的條件下可以大大加快反應的速率。這是由于二氧化碳是一種非極性分子，溶于水這種極性溶劑中的速率較慢，因此難以快速與氫氧化鈉發生反應。而振蕩可以增加二氧化碳這一氣相與溶液相的接觸，從而提高反應速率。因此做好礦泉水瓶中二氧化碳氣體和氫氧化鈉溶液反應的實驗、二氧化碳氣體和氫氧化鈉溶液的噴泉實驗等傳統實驗不斷振蕩才是成功的關鍵[6]。

六、實驗的創新之處

（1）便捷性：利用智能手機開展化學實驗雖然目前還需要借助其他的工具或者實驗儀器來完成實驗。與手持技術的方式進行實驗相比較而言，智能手機其實也可以通過自開發的APP來實現數據測量、采集、曲線繪制甚至于數據分析的完全一體化，可以不受任何限制，方便靈活地置于各種實驗場合和各種實驗裝置內進行數據的測量采集，曲線繪制等多種功能。

（2）擴展性：使用自開發的APP讓學生除了能觀察實驗現象之外，同時得到了觀察不到的實驗數據，并能直接繪制出相應的曲線，通過手指的劃動縮放點擊來獲取各個時間點的數據進行分析，使得智能手機在化學實驗方面的功能進一步擴展，除了本實驗外還可以運用在金屬活性順序的探究實驗或濃度對化學平衡的影響等一系列需要手持技術中壓強傳感器才能完成的數字化實驗。此外，還可以進行跨學科之間的實驗探索，可以是個人、分組、群體的測量，結合生活環境中的實驗：高度和大氣壓強的關系、臺風天氣中大氣壓強的變化等等來逐漸培養學生的終身學習能力，提升科學素養。

綜上所述，二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應中，可以利用智能手機結合自開發的APP能將無明顯現象的化學反應轉為曲線表達，使學生能夠直觀、形象、實時、便捷地看出曲線的變化，分析得出證明化學變化發生的思路，提高分析問題的能力，解決在實際學習中遇到的難點。

參考文獻

[1]劉靜松.應用壓強傳感器探究氫氧化鈉和二氧化碳的反應[J].化學教學，2019（2）：72-74

[2]周文榮.“二氧化碳與氫氧化鈉反應”的數字化實驗設計[J].化學教學，2017（10）：58-63

[3]周文榮.例析初中化學實驗探究與實驗創新素養培育的視角——以“探究二氧化碳與氫氧化鈉發生反應”為例[J].化學教與學，2018（12）：73-75

[4]惠宇潔.智能手機在物理實驗教學中的應用探討——以Phyphox軟件為例[J].物理教學探討，2018，36（7）：70-72

[5]李嘉.智能手機在氣體摩爾體積測定實驗中的應用[J].化學教育，2020，41（11）：98-100

[6]王欣磊，沈甸.氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用[J].化學教學，2015（9）：58-61