數字化實驗在干燥劑干燥性能研究中的應用

盛儉發 徐泓

（1.宣城市第二中學 安徽 宣城 242000;2.宣城市教體局教研室 安徽 宣城 242000）

摘要：利用相對濕度傳感器對幾種常見干燥劑：堿石灰、硅膠、無水氯化鈣、濃硫酸的干燥效果開展定量研究，對密閉容器中空氣的干燥效果：硅膠>濃硫酸>無水氯化鈣>堿石灰;對實驗室制備氫氣的干燥效果，濃硫酸>無水氯化鈣>硅膠>堿石灰。

關鍵詞：相對濕度傳感器;干燥劑;氫氣的干燥

文章編號：1008-0546（ 2021）08-0085-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.022

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。化學實驗作為化學學科的重要內容，在發展學生化學學科核心素養方面具有積極的作用。筆者選擇中學化學常見的干燥劑為研究對象，嘗試借助數字化實驗技術，通過實證的方式探究不同類型干燥劑的干燥效果，可以引導學生在探究過程中培養證據和思辨意識，進一步認識學科的價值。

一、問題的提出

堿石灰、硅膠、無水氯化鈣、濃硫酸等干燥劑是中學化學實驗中氣體制備、純化過程中常用的試劑，也是各類考試習題巾常見的考查內容。如人教版教材必修1的課后習題中有如下習題[1]：

在實驗室中，常使氣體通過干燥劑達到干燥氣體的目的。選擇干燥劑時應考慮哪些因素？干燥下列氣體（SO2、NO、NH3）可選擇哪些干燥劑？

顯然該題的考查目的主要是要求學生：能根據所干燥氣體和干燥劑的性質進行選擇，以SO2為例，可以選擇濃硫酸、無水氯化鈣、硅膠等不同的干燥劑。那么這些干燥劑干燥效果是否一樣呢？如何通過實驗檢測它們的干燥效果呢？實驗室或生活中如何選擇這些干燥劑呢？筆者帶著這些問題和所授的高一學生借助數字化實驗技術，以“不同干燥劑的干燥性能研究”為主題開展了實驗研究。

二、實驗設計

為檢測不同干燥劑的干燥效果，本實驗選擇空氣和實驗室制取的氫氣為干燥對象，分別選擇堿石灰、硅膠、無水氯化鈣、濃硫酸幾種干燥劑，在相同條件下，利用相對濕度傳感器分別測定上述幾種不同干燥劑使用前后的濕度變化，以定量的方式衡量各自的干燥性能。同時，以相同時間內相對濕度的變化曲線表征干燥的速率和效果。

三、實驗過程

1.實驗儀器和藥品

（1）實驗儀器：

計算機、Vernier LabQuest Mini數據采集器、相對濕度傳感器、50mL小燒杯、密閉容器、U型干燥管、洗氣瓶、塑料袋。

（2）藥品：

堿石灰（上海納輝干燥試劑廠）、硅膠（青島裕寶精細化工有限公司）、無水氯化鈣（泰州市長埔化學試劑有限公司）、濃硫酸（天津市博迪化工有限公司）、鋅粒、鹽酸（1：2）

2.實驗裝置示意圖

干燥空氣和氧氣的裝置示意圖分別如圖1、圖2所示。

3.實驗內容

（1）將相對濕度傳感器、數據采集器、計算機相連;將相對濕度傳感器探頭分別插入裝有50 9無水氯化鈣和堿石灰的兩個相同的密閉容器中（如裝置示意圖1），開始用logger Pro采集數據，通過軟件分析并以時間為橫軸、相對濕度為縱軸作圖，得到圖3曲線，以比較無水氯化鈣和堿石灰的干燥性能。

（2）用濃硫酸和硅膠代替（l）中的無水氯化鈣和堿石灰，重復（l）操作。得到圖4曲線，以比較濃硫酸和硅膠的干燥性能。

（3）用硅膠代替（1）中的堿石灰，重復（1）操作。得到圖5曲線，以比較無水氯化鈣和硅膠的干燥性能。

（4）用濃硫酸代替（l）中的堿石灰，重復（l）操作。得到圖6曲線，以比較無水氯化鈣和濃硫酸的干燥性能。

（5）利用鋅與稀硫酸反應制取氫氣，連接裝置如示意圖2。分別將圖中“干燥劑”以無水氯化鈣、堿石灰、硅膠、濃硫酸進行實驗（測濃硫酸時，用洗氣裝置代替U型管），用logger Pro米集數據，通過軟件分析并以時間為橫軸、相對濕度為縱軸作圖，分別得到圖7-10，以比較不同干燥劑對氫氣的干燥性能。

四、結果與討論

1.利用相對濕度傳感器同時檢測兩組不同干燥劑干燥空氣的相對濕度變化

通過每組實驗，記錄兩種不同干燥劑起始相對濕度（相同）和干燥后密閉容器內相對濕度數據，計算出相對濕度差值，可以了解在相同時間內干燥速率和干燥效果;如表l所示。

以時間為橫軸，相對濕度為縱軸;每組干燥劑都是在相同時間內（大約30000秒），不同溫度下采集，分析數據得出不同干燥劑干燥效果：硅膠>濃硫酸>無水氯化鈣>堿石灰;從干燥速率來看，也是這個順序;其中堿石灰干燥空氣的相對濕度不降反升的異常現象，說明對于濕度不大的空氣，堿石灰不但達不到干燥的效果，還讓濕度增大。究其原因可能是由于堿石灰制備過程本身含有水，因此堿石灰不適宜干燥密閉空間空氣里的水蒸氣。

2.利用相對濕度傳感器檢測不同干燥劑干燥氫氣前后的相對濕度變化

通過每組實驗，記錄不同干燥劑起始環境相對濕度和干燥氫氣前后相對濕度數據，比較干燥效果;如表2所示。

以時間為橫軸，相對濕度為縱軸;分析采集干燥氫氣前后的相對濕度數據得出，在通入采集數據大約300秒時，表2直觀顯示，濃硫酸干燥氫氣效果最好，而在密閉容器中硅膠效果最好，這和硅膠的形狀有關，硅膠球形，有間隙，使得氣體不能充分接觸干燥，液態的濃硫酸有利于氣體的干燥，所以濃硫酸干燥效果大于硅膠。堿石灰顆粒狀，也有間隙，與氣體開始相對濕度相比有一定的干燥性，但是最后相對濕度比環境濕度還要高，這更加證明了在密閉系統干燥時不降反升的原因，效果最差;無水氯化鈣片狀，顆粒之間間隙不大，干燥效果也很好。

干燥氫氣效果比較：濃硫酸>無水氯化鈣>硅膠>堿石灰;當然對于干燥氣體的干燥劑效果優劣與產生氣體的速率、制備氣體反應物濃度、干燥劑的狀態、干燥劑的用量都密不可分。

五、結語

對于常見的干燥劑，傳統實驗比較其干燥性能繁瑣，通過相對濕度傳感器的數字化實驗“實時監控”全過程，直觀、生動地呈現出來，數字化實驗對于化學四重表征中的微觀表征和曲線表征更是有獨特的優勢，其在課堂上的運用是傳統實驗的重要補充，基于真實情境，實際問題，利用學科知識解決問題，提高學生學科核心素養[2-3]。

參考文獻

[1]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書：化學（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007

[2]盛儉發，徐泓，鄭軍.二氧化碳制備中對鹽酸揮發性的監測[J].化學教學，2018（8）：66-68

[3]徐泓，夏建華.學科核心素養：化學試題評析的新視角——以2017年高考全國理綜卷化學試題為例[J].中學化學教學參考，2018（ 1-2）：74-78