利用智能手機探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液是否反應(yīng)

摘要：應(yīng)用智能手機的壓強傳感器配合自開發(fā)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(nèi)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(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(yīng)是初中化學(xué)中非常重要的一個反應(yīng)，但是該反應(yīng)的反應(yīng)現(xiàn)象不明顯（或者無明顯現(xiàn)象），從而導(dǎo)致學(xué)生難以判斷其產(chǎn)物，對于該反應(yīng)的化學(xué)方程式的理解比較困難。而對于這類無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，很多老師都采用了數(shù)字化實驗設(shè)計的方式來探究二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)，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(yīng)過程中四者的變化，從多個視角來探究該反應(yīng)的發(fā)生，為廣大教師提供了寶貴的學(xué)習(xí)資源[1-3]。但是限于不同學(xué)校的實驗室條件限制，導(dǎo)致不是每個學(xué)生都有機會接觸或使用數(shù)字化實驗設(shè)備。目前的主流中高端手機基本都配置有加速計、陀螺儀、環(huán)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?yōu)橐粋€可以隨時進(jìn)行測量、即時對比實驗數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)的設(shè)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(xiàn)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(wěn)定性（工作溫度范圍為-20℃到85℃）和數(shù)據(jù)采集的精度（分辨率0.12 Kpa）都相當(dāng)高；其次壓強是研究氣體反應(yīng)的一個重要的物理量，普通化學(xué)實驗室缺少能直接測定氣體壓強的設(shè)備，而引入手機壓強傳感器使得密閉容器內(nèi)的氣體壓強數(shù)據(jù)更加直觀明了。所以筆者配合自己開發(fā)的手機APP設(shè)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(yīng)和二氧化碳與水反應(yīng)的壓強變化曲線來證明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。實驗結(jié)果表明該方法具有成本低，簡單便捷，易于普及推廣應(yīng)用于其他的實驗之中，并且非常適合學(xué)生進(jìn)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(guān)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(yīng)，使真空保鮮盒盒內(nèi)的壓強不斷減小，并利用自己開發(fā)的APP來采集真空保鮮盒盒內(nèi)的壓強數(shù)據(jù)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(yīng)、二氧化碳與水反應(yīng)兩條曲線的變化趨勢得出結(jié)論。

Phyphox是手機傳感器在中學(xué)化學(xué)實驗中應(yīng)用較多的一款功能強大的軟件，它是德國亞琛工業(yè)大學(xué)設(shè)計開發(fā)的一款用途較廣的手機實驗傳感器軟件，可以直接調(diào)用手機內(nèi)置的各種傳感器進(jìn)行測量，監(jiān)測手機的所處環(huán)境中各種物理量的變化并獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而且能將測量的結(jié)果以數(shù)據(jù)或者曲線的形式呈現(xiàn)出來[4-5]。但其在手機壓強傳感器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，需要導(dǎo)進(jìn)電腦進(jìn)行處理，無法設(shè)置壓強采樣的范圍等等。因此筆者自己開發(fā)了用于實驗的相關(guān)APP。

本實驗中使用的APP其運行界面（如圖1所示），在此進(jìn)行簡單的介紹，延時設(shè)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(shù)據(jù)的頻率（單位s），次行采樣設(shè)置的兩個輸入框分別控制壓強傳感器的采樣持續(xù)時間（單位s）以及采樣的頻率（單位s），壓強設(shè)置的兩個輸入框分別控制壓強采樣的范圍（主要應(yīng)用于碳酸鈉與碳酸氫鈉與酸反應(yīng)的差異或比較金屬與不同濃度的酸的反應(yīng)速率的探究等試驗）。先勾選試樣的次號，再點擊右側(cè)采樣按鈕來啟動壓強傳感器進(jìn)行采樣，壓強傳感器開始按上方設(shè)置的時間和頻率采集數(shù)據(jù)，采樣完成之后可以點擊相應(yīng)的繪圖按鈕來顯示密閉容器內(nèi)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(shù)據(jù)和采樣的時間點，再點擊保存可以將實驗數(shù)據(jù)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(dǎo)入按鈕來觀察不同次號實驗的曲線圖并進(jìn)行比較，也可以將保存在手機根目錄下的數(shù)據(jù)文件直接導(dǎo)入Excel中進(jìn)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(lán)牙鼠標(biāo)

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?xì)怏w，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(shè)置亮屏?xí)r間為永久，同時連接網(wǎng)絡(luò)（連接網(wǎng)絡(luò)是為了繪制曲線的功能啟動，如果無網(wǎng)絡(luò)，曲線繪制不成功的話，可以通過先保存再導(dǎo)入的方式繪制曲線）并打開藍(lán)牙以連接好藍(lán)牙鼠標(biāo)，同時打開自開發(fā)的APP設(shè)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(lán)牙鼠標(biāo)移動手機的指針點擊采樣按鈕開始數(shù)據(jù)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(shù)不再改變?yōu)橹埂４鼳PP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(nèi)的壓強恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取出手機并點擊繪圖按鈕，APP下方會出現(xiàn)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(shù)據(jù)。

（4）點擊清除按鈕后重新勾選實驗次數(shù)，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(jìn)行二氧化碳和水的反應(yīng)，完成之后并保存數(shù)據(jù)。

五、數(shù)據(jù)分析和解釋

從圖3的密閉容器內(nèi)的壓強變化曲線可以發(fā)現(xiàn)二氧化碳與氫氧化鈉、水反應(yīng)之后密閉容器內(nèi)的壓強都是減小的趨勢，且二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)比二氧化碳與水反應(yīng)變化更為明顯。

將手機根目錄下保存的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel合并得到二氧化碳與氫氧化鈉和水反應(yīng)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(nèi)壓強的減小說明了二氧化碳與氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而不僅僅是溶于水或者是與水發(fā)生了反應(yīng)。

結(jié)合圖3和圖4也可以發(fā)現(xiàn)在前10 s未進(jìn)行振蕩時，二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)速率是非常慢的，但在振蕩的條件下可以大大加快反應(yīng)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(fā)生反應(yīng)。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(yīng)速率。因此做好礦泉水瓶中二氧化碳?xì)怏w和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實驗、二氧化碳?xì)怏w和氫氧化鈉溶液的噴泉實驗等傳統(tǒng)實驗不斷振蕩才是成功的關(guān)鍵[6]。

六、實驗的創(chuàng)新之處

（1）便捷性：利用智能手機開展化學(xué)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(shù)的方式進(jìn)行實驗相比較而言，智能手機其實也可以通過自開發(fā)的APP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、采集、曲線繪制甚至于數(shù)據(jù)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(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量采集，曲線繪制等多種功能。

（2）擴展性：使用自開發(fā)的APP讓學(xué)生除了能觀察實驗現(xiàn)象之外，同時得到了觀察不到的實驗數(shù)據(jù)，并能直接繪制出相應(yīng)的曲線，通過手指的劃動縮放點擊來獲取各個時間點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使得智能手機在化學(xué)實驗方面的功能進(jìn)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(xué)平衡的影響等一系列需要手持技術(shù)中壓強傳感器才能完成的數(shù)字化實驗。此外，還可以進(jìn)行跨學(xué)科之間的實驗探索，可以是個人、分組、群體的測量，結(jié)合生活環(huán)境中的實驗：高度和大氣壓強的關(guān)系、臺風(fēng)天氣中大氣壓強的變化等等來逐漸培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。

綜上所述，二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)中，可以利用智能手機結(jié)合自開發(fā)的APP能將無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)為曲線表達(dá)，使學(xué)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(xué)變化發(fā)生的思路，提高分析問題的能力，解決在實際學(xué)習(xí)中遇到的難點。

參考文獻(xiàn)

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