手持技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)速率教學(xué)中的實(shí)踐*

葛 靜，于法鋒，湯希雁，劉志平**

(1.南寧市第十四中學(xué)，廣西 南寧 530021；2.南寧市第三中學(xué)，廣西 南寧 530021；3.南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530001)

手持技術(shù)，即在手上就可以完成操作的技術(shù)，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件等實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)組成。手持技術(shù)相關(guān)儀器可以定量收集和提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并以圖形圖像方式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，體現(xiàn)了現(xiàn)代化技術(shù)與化學(xué)學(xué)科的充分融合[1]。手持技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，主要表現(xiàn)為三個(gè)特點(diǎn)：改進(jìn)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、輔助傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中采用手持技術(shù)可以充分利用它的優(yōu)點(diǎn)，展示實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示反應(yīng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)化學(xué)核心知識(shí)的理解與認(rèn)知。

1 手持技術(shù)融入課堂教學(xué)的重要性

1)化抽象為具體，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性

在化學(xué)課堂中使用手持技術(shù)輔助教學(xué)，能將抽象化的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行形象化，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性，培養(yǎng)了廣大學(xué)生獨(dú)立地分析實(shí)踐問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，減少學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙。

2)化被動(dòng)為主動(dòng)，促進(jìn)探究活動(dòng)的實(shí)踐性

在新課程改革形勢(shì)下，倡導(dǎo)教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展多元化的實(shí)踐探究活動(dòng)，而手持技術(shù)便于操作，為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。小組內(nèi)可自行設(shè)計(jì)實(shí)踐方案，化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)認(rèn)知。

3)化記憶為理解，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的理解性

手持技術(shù)能實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，行成動(dòng)態(tài)的變化曲線，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律與實(shí)質(zhì)，增強(qiáng)和提高學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，避免傳統(tǒng)的灌輸性記憶式學(xué)習(xí)。

4)化傳統(tǒng)為現(xiàn)代，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置的科技性

手持技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單的傳感器實(shí)時(shí)獲取常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以收集的數(shù)據(jù)，不僅提高了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性，也增強(qiáng)了化學(xué)創(chuàng)造的科技感。

2 手持技術(shù)在化學(xué)反應(yīng)速率教學(xué)中的案例實(shí)踐

溫度、壓強(qiáng)、催化劑等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響較為抽象，因此采用案例探究來(lái)驅(qū)動(dòng)教學(xué)任務(wù)，通過(guò)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)收集、分析歸納等環(huán)節(jié)來(lái)開(kāi)展本節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)，有利于學(xué)生深入理解外界因素是如何影響化學(xué)反應(yīng)速率的。

2.1 探究濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

以硫代硫酸鈉與稀硫酸的反應(yīng)為案例，控制相同濃度的稀硫酸與不同濃度的硫代硫酸鈉之間的反應(yīng)，利用色度傳感器采集數(shù)據(jù)，觀察透光率隨時(shí)間的變化曲線圖[2]。

[實(shí)驗(yàn)儀器]比色皿、色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器

[實(shí)驗(yàn)藥品]Na2S2O3溶液 (0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L)、1.0 mol/L 稀硫酸，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)藥品

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]用移液管根據(jù)表1的藥品比例向比色皿中加入先后加入 2 mL 濃度為 0.2 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.1 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.05 mol/L Na2S2O3溶液，連接好儀器，然后迅速倒入 1 mL 稀硫酸溶液，馬上放進(jìn)色度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器記錄透光率隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 透過(guò)率隨時(shí)間的變化曲線圖

[學(xué)生觀察與討論]圖1顯示出在單位時(shí)間內(nèi)硫代硫酸鈉的濃度越高，透過(guò)率越低，說(shuō)明生成黃色的硫單質(zhì)的量越多，時(shí)間與透光率形成的曲線斜率就越大。當(dāng)其它條件不變時(shí)，增加反應(yīng)物的濃度，可以增大反應(yīng)的速率。由此可以推出反應(yīng)物的濃度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快，也說(shuō)明反應(yīng)物濃度越大對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響也越大。

[討論分析]增大反應(yīng)物濃度，活化分子增多，反應(yīng)速率加快。

[歸納總結(jié)]在其他外界條件下不變的情況下，活化的分子在各種反應(yīng)物的分子中占有一定的百分比，當(dāng)反應(yīng)物濃度有所增加時(shí)，單位體積內(nèi)的活化分子濃度就會(huì)有所增加，單位體積內(nèi)的有效碰撞速率也就會(huì)隨之增加，化學(xué)反應(yīng)速率也就會(huì)隨之加快。

2.2 探究壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響

以二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸的可逆反應(yīng)為案例，對(duì)比測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)生成碳酸的快慢，解釋壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

[實(shí)驗(yàn)儀器]電腦，數(shù)據(jù)采集器，二氧化碳傳感，pH值傳感器等。

[實(shí)驗(yàn)藥品]二氧化碳?xì)怏w、蒸餾水

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]向裝有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶注入 20 mL CO2氣體，通過(guò)pH值傳感器采集pH值隨時(shí)間的變化。同樣，將 40 mL 二氧化碳注入含有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶中，同樣記錄pH值度隨時(shí)間的變化(圖2)。

圖2 pH值隨時(shí)間變化曲線圖

[學(xué)生觀察并討論]通過(guò)觀察pH值隨時(shí)間的變化曲線可以知道，在單位時(shí)間(0～100 s)內(nèi)，注入 40 mL CO2氣體的pH值比注入 20 mL CO2氣體的pH值下降更快，說(shuō)明注入 40 mL 二氧化碳與水生成的碳酸更多，也就是說(shuō)增大體系的壓強(qiáng)可以加快化學(xué)反應(yīng)速率。

[教師引導(dǎo)分析]請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍治鰧?duì)于有氣體參加的化學(xué)反應(yīng)，增大氣體的體積會(huì)加快反應(yīng)速率？同學(xué)們可以結(jié)合有效碰撞理論進(jìn)行分析。

[討論分析]對(duì)于有氣體參加的反應(yīng)，在其它條件不變的情況下，氣體的體積與其所受的壓強(qiáng)成正比。這意味著如果氣體壓力增加兩倍，體積會(huì)減少一半，單位體積內(nèi)的分子會(huì)增加兩倍，不同物質(zhì)的濃度會(huì)增加，有效碰撞的次數(shù)增加，化學(xué)反應(yīng)的速度也會(huì)加快。

[歸納總結(jié)]在其他條件不變情況下，增大壓強(qiáng)，相當(dāng)于增大單位體積的各組分的濃度，單位體積內(nèi)所含活化分子數(shù)目增多，有效碰撞地幾率也會(huì)增大，所以反應(yīng)速率也就會(huì)增大。相反，壓強(qiáng)下降，氣體體積膨脹，氣體濃度下降，反應(yīng)速度下降。所以增大壓強(qiáng)的實(shí)質(zhì)其實(shí)是通過(guò)增加氣體反應(yīng)物的濃度來(lái)增加反應(yīng)速率。

2.3 探究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響

以H2O2分解釋放氧氣為案例，利用手持技術(shù)記錄在不同溫度下H2O2分解時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量氣體壓力隨時(shí)間的變化，精確實(shí)時(shí)的顯示出溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響的變化曲線。

[實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備]實(shí)驗(yàn)儀器：氣壓傳感器、溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集器

[實(shí)驗(yàn)藥品]30%H2O2

[實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)]利用手持技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的實(shí)驗(yàn)，控制其它條件不變的情況下，改變反應(yīng)體系的溫度，通過(guò)氣壓傳感器測(cè)量產(chǎn)生氣體的壓強(qiáng)，觀察不同溫度下，化學(xué)反應(yīng)速率的快慢。

[實(shí)驗(yàn)步驟]將恒溫槽里的水溫調(diào)節(jié)控制在 20 ℃ 和 60 ℃，按照實(shí)驗(yàn)裝置圖連接好裝置，用量筒量取2份 5 mL 30%的過(guò)氧化氫溶液倒入2支相同規(guī)格的試管中，分別采集同濃度不同溫度下溫度隨時(shí)間的變化量，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止采集(圖3)。

圖3 氣壓隨時(shí)間變化曲線圖(溫度)

[實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析]

[學(xué)生觀察與討論]圖3顯示出在 20 ℃ 下H2O2分解特別的緩慢幾乎不分解，在單位時(shí)間內(nèi) 60 ℃ 下H2O2分解比在 20 ℃ 下分解產(chǎn)生的O2更多，所以氣體壓力增大得更快，60 ℃ 下壓力與時(shí)間的曲線斜率比 20 ℃ 下壓力與時(shí)間的曲線斜率更大，說(shuō)明溫度越高H2O2的分解產(chǎn)生的O2越多，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

[歸納總結(jié)]在其它條件不變的情況下，升高溫度，活性分子數(shù)量增加，活性分子百分比增加，有碰撞頻率增加，反應(yīng)速度加快。

2.4 探究催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響

以H2O2分解反應(yīng)為案例，利用手持技術(shù)記錄在同一濃度的H2O2溶液下加入催化劑MnO2的氣壓隨時(shí)間的變化，精確實(shí)時(shí)的顯示出溫度和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響的變化曲線。

[實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備]實(shí)驗(yàn)儀器：氣壓傳感器、溫度計(jì)、數(shù)據(jù)采集器

[實(shí)驗(yàn)藥品]30%H2O2、MnO2

[提出問(wèn)題]加入催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響是加快還是減慢？

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]先用量筒量取2份 5 mL 30%的過(guò)氧化氫溶液倒入2支規(guī)格相同的試管中。先用氣壓傳感器采集沒(méi)有加入二氧化錳試管的數(shù)據(jù)，再采集加入二氧化錳試管的數(shù)據(jù)，對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的差異(圖4)。

圖4 氣壓隨時(shí)間變化曲線(催化劑)

[實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析]

[學(xué)生觀察與討論]圖4顯示出添加催化劑能加速H2O2分解，在單位時(shí)間(0～50 s)內(nèi)，向過(guò)氧化氫溶液添加催化劑產(chǎn)生的氧氣量比未添加催化劑時(shí)產(chǎn)生的氧氣量多得多，所以氣體壓力增加得更快，這表明在化學(xué)反應(yīng)中加入催化劑會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)的速率。

[歸納總結(jié)]在其它條件不變的情況下，使用催化劑就會(huì)改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)的活化能，增大活化分子的百分比，增加了有效碰撞的頻率，加快了化學(xué)速率。

3 實(shí)踐反思

采用手持技術(shù)作為一種強(qiáng)大科技化探究工具，具有便攜、直觀、靈活等特點(diǎn)，在教育現(xiàn)代化及數(shù)字化教學(xué)中具有積極作用。

運(yùn)用手持技術(shù)使難以觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得直觀化，也有可能將微小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行放大，把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)給所有學(xué)生，使全體學(xué)生都能體驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)[3]。此外，手持技術(shù)能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的反映動(dòng)態(tài)變化，學(xué)生可以通過(guò)數(shù)據(jù)曲線明確一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率并不是均勻變化的，加深對(duì)速率圖像的理解。將手持技術(shù)廣泛應(yīng)用于課堂和教學(xué)中的實(shí)踐，能夠充分激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高學(xué)生在實(shí)踐中的操作技巧，對(duì)學(xué)生信息收集、獲取、加工等方面的綜合素養(yǎng)。