用色度傳感器測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

戴崇超

摘要：利用色度傳感器，測(cè)定酸性高錳酸鉀溶液與乙醛溶液反應(yīng)過(guò)程中溶液的吸光度變化，并通過(guò)分析、比較各組實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)物的物質(zhì)的量與物質(zhì)的量濃度和溶液吸光度變化之間的關(guān)系，讓學(xué)生學(xué)會(huì)選用合適的物理量表示化學(xué)反應(yīng)速率，并在真實(shí)情境中掌握化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)速率；色度傳感器；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：10056629（2023）06005703中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究背景

在化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)中，已有許多數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，讓學(xué)生不僅能通過(guò)宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也能通過(guò)數(shù)據(jù)和圖像曲線，多維度地感知化學(xué)反應(yīng)的快慢、學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率的相關(guān)概念以及影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素^［1，2］。

但在定量表示化學(xué)反應(yīng)快慢時(shí)，為什么一般用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加表示化學(xué)反應(yīng)速率，而不用質(zhì)量或物質(zhì)的量的變化來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)速率是學(xué)生應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題；同時(shí)掌握化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算以及理解同一化學(xué)反應(yīng)，用不同物質(zhì)表示的化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系也是教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一。

本文通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)的挖掘，幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)速率的概念，讓學(xué)生學(xué)會(huì)選取合適的物理量表示化學(xué)反應(yīng)速率；通過(guò)讀取曲線中一段時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)物濃度變化的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在真實(shí)情景中掌握化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算，理解同一化學(xué)反應(yīng)，用不同物質(zhì)表示的反應(yīng)速率之間的關(guān)系^［3］。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

使用色度傳感器測(cè)定不同濃度、不同體積的酸性高錳酸鉀溶液與乙醛溶液的反應(yīng)，2MnO^-₄+5CH₃CHO+6H⁺→2Mn²⁺+5CH₃COOH+3H₂O，并測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中溶液吸光度的變化，利用朗伯比爾定律，將吸光度換算為c（MnO^-₄），并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)儀器：色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、比色皿、5mL針筒

實(shí)驗(yàn)試劑：

預(yù)先配制兩組KMnO₄與H₂SO₄的混合溶液：

第一組混合溶液中c（KMnO₄）=0.01mol/L，c（H₂SO₄）=1.0mol/L；

第二組混合溶液中c（KMnO₄）=0.015mol/L，c（H₂SO₄）=1.5mol/L；

兩組CH₃CHO溶液：

第一組c（CH₃CHO）=0.1mol/L；

第二組c（CH₃CHO）=0.15mol/L

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2MnO^-₄+5CH₃CHO+6H⁺→2Mn²⁺+5CH₃COOH+3H₂O，反應(yīng)過(guò)程中，溶液紫色逐漸變淺，利用色度傳感器，測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中溶液吸光度數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：0.01mol/L KMnO₄和1.0mol/L H₂SO₄的混合溶液1.0mL與0.1mol/L乙醛溶液1.0mL

實(shí)驗(yàn)二：0.01mol/L KMnO₄和1.0mol/L H₂SO₄的混合溶液1.5mL與0.1mol/L乙醛溶液1.5mL

實(shí)驗(yàn)三：0.015mol/L KMnO₄和1.5mol/L H₂SO₄的混合溶液1.0mL與0.15mol/L乙醛溶液1.0mL

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先向比色皿中加入乙醛溶液，之后點(diǎn)開(kāi)數(shù)據(jù)采集器，在經(jīng)過(guò)相同時(shí)間后，加入預(yù)先配制的KMnO₄與H₂SO₄的混合溶液，分別進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)色度傳感器測(cè)定溶液吸光度的變化，在移除由于實(shí)驗(yàn)操作和溶液混合過(guò)程

中造成的吸光度數(shù)據(jù)擾動(dòng)后，將三條曲線呈現(xiàn)于同一張圖，得圖1。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

（1） 實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二為對(duì)照組，兩組實(shí)驗(yàn)c_{反應(yīng)物}相同，而n_{反應(yīng)物}不同。

（2） 實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三為對(duì)照組，兩組實(shí)驗(yàn)n_{反應(yīng)物}相同，而c_{反應(yīng)物}不同。

（3） 三組實(shí)驗(yàn)混合后溶液總體積分別為2.0mL和3.0mL，因?yàn)槿绻∮玫娜芤后w積過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致溶液在注入比色皿的過(guò)程中無(wú)法充分混合；量取溶液體積過(guò)小，也會(huì)導(dǎo)致量取的相對(duì)誤差偏大。由于針筒每次量取體積時(shí)會(huì)存在少量的偏差，所以預(yù)先將高錳酸鉀和硫酸溶液混合，這樣每組實(shí)驗(yàn)只要取用兩次溶液即可，既能減少課堂演示時(shí)的誤差，也能縮短課堂演示的時(shí)間，同時(shí)也能讓實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的曲線吻合度更高，避免對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)造成過(guò)大的干擾。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)素材的挖掘及其在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用

圖2是筆者在課堂實(shí)踐過(guò)程中設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)，上述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以貫穿運(yùn)用于課堂環(huán)節(jié)2的教學(xué)過(guò)程。

以下是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中的具體應(yīng)用。

3.1 使學(xué)生學(xué)會(huì)選擇哪種物理量的變化來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)速率

實(shí)驗(yàn)得到的三條曲線，分別對(duì)應(yīng)三組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二：反應(yīng)物的濃度c_{（實(shí)驗(yàn)一）}=c_{（實(shí)驗(yàn)二）}；而反應(yīng)物的物質(zhì)的量n_{（實(shí)驗(yàn)一）}：n_{（實(shí)驗(yàn)二）}=1∶1.5，學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過(guò)程中溶液吸光度變化基本相同，說(shuō)明兩組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率幾乎相同，即v_{（實(shí)驗(yàn)一）}=v_{（實(shí)驗(yàn)二）}。

實(shí)驗(yàn)二與實(shí)驗(yàn)三：反應(yīng)物的濃度c_{（實(shí)驗(yàn)二）}∶c_{（實(shí)驗(yàn)三）}=1∶1.5；而反應(yīng)物的物質(zhì)的量n_{（實(shí)驗(yàn)二）}=n_{（實(shí)驗(yàn)三）}，測(cè)定發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)三溶液吸光度起始點(diǎn)比較高，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)三c（MnO^-₄）起始濃度較大，同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)三溶液吸光度下降趨勢(shì)比較快，說(shuō)明c（MnO^-₄）減小速率比實(shí)驗(yàn)二快，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)三化學(xué)反應(yīng)速率較快，v_{（實(shí)驗(yàn)二）}（_{實(shí)驗(yàn)三）}。

由于課堂中學(xué)生需要分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，對(duì)學(xué)習(xí)可能會(huì)造成一定的困擾，可在學(xué)生討論后以表格的形式逐一呈現(xiàn)學(xué)生課堂討論的結(jié)果，幫助學(xué)生更清晰地理解和分析（如表1所示）。

學(xué)生通過(guò)分析上述三組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物的物質(zhì)的量和物質(zhì)的量濃度以及溶液吸光度曲線的變化關(guān)系后，很清晰地分析出選擇物質(zhì)的量濃度的變化來(lái)表示反應(yīng)速率能夠更為準(zhǔn)確地反映出化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際快慢，所以人們一般用反應(yīng)物或生成物單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量濃度的變化來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)速率。

3.2 讓學(xué)生在真實(shí)情境中掌握化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算，理解以不同物質(zhì)表示同一化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系

選取實(shí)驗(yàn)三，通過(guò)朗伯比爾定律，將溶液的吸光度數(shù)值換算為c（MnO^-₄）后，利用logger-pro軟件的檢查功能，教師選取曲線中合適的兩點(diǎn)數(shù)據(jù)（如圖3），學(xué)生將讀取的結(jié)果記錄于學(xué)習(xí)任務(wù)單（如表2）中以后，并計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)v（MnO^-₄）；再利用化學(xué)方程式中化學(xué)計(jì)量比關(guān)系，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)△c（H⁺）和△c（CH₃COOH），進(jìn)一步求算v（H⁺）和v（CH₃COOH）。在掌握化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算的同時(shí)，理解同一化學(xué)反應(yīng)，用不同物質(zhì)表示的反應(yīng)速率之間的關(guān)系^［4，5］。

3.3 幫助學(xué)生理解瞬時(shí)反應(yīng)速率和平均反應(yīng)速率的區(qū)別

依然選取實(shí)驗(yàn)三，曲線的橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是c（MnO^-₄），可以運(yùn)用logger-pro軟件的求切線斜率的功能，對(duì)曲線求切線斜率，斜率的數(shù)值取正值即為該點(diǎn)時(shí)間的v（MnO^-₄）瞬時(shí)反應(yīng)速率（圖4），通過(guò)展示曲線中30～50s（即計(jì)算平均化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)所取的時(shí)間段）內(nèi)不同點(diǎn)切線斜率的數(shù)值，讓學(xué)生理解瞬間反應(yīng)速率和平均反應(yīng)速率的區(qū)別。

4 結(jié)語(yǔ)

在化學(xué)反應(yīng)速率的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生不太關(guān)注為什么一般用反應(yīng)物或生成物物質(zhì)的量濃度的變化而不用物質(zhì)的量或質(zhì)量等其他物理量的變化表示化學(xué)反應(yīng)速率。利用數(shù)字化傳感器通過(guò)分析不同濃度和不同物質(zhì)的量的硫酸與高錳酸鉀和乙醛溶液的化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生理解選用物質(zhì)的量濃度來(lái)表示反應(yīng)速率的合理性，同時(shí)利用朗伯比爾定律，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中溶液顏色與微粒的濃度聯(lián)系在一起，讓學(xué)生在真實(shí)情境中掌握化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算。通過(guò)對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)一步挖掘，既豐富了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，也使其在課堂中發(fā)揮了更好的教學(xué)效果。

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