基于手持技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗中應(yīng)用的研究

謝杭　陳劍峰

摘 要：中學(xué)化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素在高中化學(xué)知識體系中起到了承上啟下的重要作用，驗證速率影響因素的實驗一直是教學(xué)的重點?，F(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中的實驗存在不足。本文探討利用手持技術(shù)改進測定反應(yīng)速率的實驗，靈敏度更高，節(jié)約藥品，實時動態(tài)地采集信息，最后通過軟件對圖象進行分析，將化學(xué)反應(yīng)速率直接量化。

關(guān)鍵詞：DISLab；手持技術(shù)；速率；壓強傳感器；化學(xué)反應(yīng)；恒壓裝置

1 研究項目的確定

中學(xué)化學(xué)教材上的反應(yīng)速率的影響因素實驗裝置大都采用“套氣球”來完成 [1 ]，操作看似很簡單，但是在演示過程存在不足 [2 ]：兩手各抓住氣球往試管內(nèi)加粉末，粉末容易粘附在氣球內(nèi)壁及試管內(nèi)壁，實際參與反應(yīng)的藥品的質(zhì)量不等；演示實驗時很難保證同步操作；反應(yīng)幾秒內(nèi)就能完成，用肉眼很難判斷生成氣體的速率的快慢；由于兩個氣球的張力不同，且瞬間壓力不夠，只能看到兩個氣球豎起后停頓一定時間后都慢慢膨脹，很難看出誰先放出氣體。于是我決定利用手持技術(shù)嘗試改進該實驗裝置。

2 項目的原理及基本思路

2.1 項目原理

2.2 項目思路

為準(zhǔn)確、實時、快速和自動采集氣體產(chǎn)生的氣壓變化曲線，選用了DISlab壓強傳感實驗系統(tǒng)來完成。將實驗過程或現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可檢測的物理信號，這也是科學(xué)研究中非常重要的“轉(zhuǎn)化”思想。利用手持技術(shù)研究本項目，其靈敏度較高，必須保證實驗裝置氣密性高，且要保證加藥品后（反應(yīng)瞬間）整體的壓強相同。

2.3 拓展延伸

3 數(shù)字化比較化學(xué)反應(yīng)速率裝置的研制

3.1 實驗材料

計算機、采集器、壓強傳感器2套、數(shù)據(jù)線2條、恒壓分液器（注射器及輸液管改裝）2套、同流閥1個、6號橡膠塞2個、具支試管4根、試管架1個，量筒3個、橡皮管4根等。

3.2 實驗裝置的制作

（1）裁好5mm厚的有機玻璃，做成長方體主體支架。上端固定注射器，下端固定具支試管，前側(cè)固定壓強傳感器、后側(cè)固定采集器。底部做成水槽用來冷卻，控制整個過程溫度恒定。

（2）將兩注射的活塞桿切除，用膠槍將活塞與推桿頂固定（降低儀器整體高度、方便做好加固）。

（3）將內(nèi)徑6mm的透明玻璃管，加熱彎曲90°，裁好適當(dāng)?shù)拈L度后，一端插到注射器側(cè)上方，固定密封，另一端套上橡膠管（用來連接具支試管的一分支，做成恒壓管，用來控制加入藥品后系統(tǒng)壓強恒定）。

（4）將6號橡膠塞打孔，插入小截透明玻璃管，保持密封。利用醫(yī)用透明軟管穿過同流閥，將注射器前端與6號橡膠塞上的透明玻璃管對接。

（5）在底座后側(cè)面增加試管架，方便操作。

3.3 實驗裝置圖

研制的數(shù)字化化學(xué)反應(yīng)速率比較儀的原理圖如圖1所示，整體實物圖見圖2，自制主體結(jié)構(gòu)見圖3。

3.4 化學(xué)反應(yīng)速率比較儀的檢測

3.4.1 碳酸鈉與碳酸氫鈉的鑒別

（1）儀器與藥品

自制化學(xué)反應(yīng)速率比較裝置、計算機、DISLab設(shè)備、量筒、1mol/L的HCl溶液、NaHCO3粉末、Na2CO3粉末。

（2）實驗步驟

①連接采集器與計算機和壓強傳感器；

②閉合同流閥，打開兩注射器的活塞，利用量筒往兩邊各加入10ml 1mol/L的HCl溶液（過量），塞緊活塞，并利用金屬桿穿過活塞頂部，固定；

③用兩紙槽各取0.2g的A物質(zhì) 和B物質(zhì)分別裝入具支試管中，貼好標(biāo)簽，塞緊橡膠塞；

④利用橡膠管將壓強傳感器檢測端與具支試管側(cè)支對接；

⑤打開DISLab軟件，通用軟件，點擊平鋪按鈕，顯示兩壓強傳感器值p1、p2。若左右壓強值不相等，通過任意一側(cè)的對接橡膠管調(diào)整（橡膠管套深淺可微調(diào)最初壓強值）；

⑥點擊組合圖象，添加兩壓強p1、p2隨時間變化的組合圖象，調(diào)整X、Y軸的放大倍數(shù)；

⑦用夾子分別夾住兩邊橡膠管，兩邊壓強升高后保持不變，表明裝置氣密良好；

⑧點擊開始后快速打開同流閥，觀察電腦屏幕上的壓強隨時間的變化圖象，等到圖象基本平穩(wěn)后點擊停止按鈕；

⑨觀察電腦屏幕上的壓強時間變化圖象進行分析，并得出結(jié)論。

（3）實驗數(shù)據(jù)

NaHCO3 、Na2CO3鑒別實驗數(shù)據(jù)詳見圖4。

最后兩條曲線不重合，說明兩物質(zhì)最終產(chǎn)生的氣體的量不一樣。

3.4.2 強弱電解質(zhì)的電離程度的比較

（1）儀器與藥品

鎂條，1mol/L的HCl，1mol/L的CH3COOH，自制化學(xué)反應(yīng)速率比較儀。

（2）實驗步驟

①連接采集器與計算機和壓強傳感器；

②閉合同流閥，打開兩注射器的活塞，利用量筒往兩邊分別注射1mol/L的HCl和1mol/L的CH3COOH各10ml，塞緊活塞，并利用金屬桿穿過活塞頂部，固定；

③打磨好的約2.5cm的鎂條，對折重疊，兩端各剪去部分（余約1cm），往2支試管中各放入一根，塞緊橡膠塞；

余下操作與3.4.1中的④～⑨相同。

（3）實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

最后兩條曲線重合，說明兩種物質(zhì)最終產(chǎn)生的氣體的量是一樣的。

3.5 其他實驗

本儀器還可以用來研究：催化劑對過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響、探究濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響等。

4 研究項目的主要貢獻（創(chuàng)新部分）

在中學(xué)階段常利用氣球的膨脹快慢或大小來衡量反應(yīng)的快慢或劇烈程度及生成氣體體積的多少，這種方法雖然直觀、形象，但顯然僅停留在定性層面，甚至存在一些科學(xué)性問題。研制的化學(xué)反應(yīng)速率比較儀利用DISLab壓強傳感器將反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體引起裝置內(nèi)的壓強隨時間的變化通過采集器實時記錄，繪制成壓強隨時間變化圖象，直觀、靈敏度高，能準(zhǔn)確的記錄出整個反應(yīng)過程中的壓強變化情況，將感性現(xiàn)象以數(shù)顯、圖表的形式顯示出來，有利于定量觀的形成，及數(shù)顯分析能力和理性思維的培養(yǎng)；設(shè)計的自制恒壓裝置能夠有效的避免加液引起壓強的變化，同時也解決了氣壓升高液體無法順利加液的問題；搭配同流閥可使兩邊液體的流速和流量保持一致，有效的控制單一變量；還可利用軟件繪制曲線的斜率，將化學(xué)反應(yīng)速率直接量化，使實驗效果更佳。

5 展望

通過不斷的操作、調(diào)整儀器的結(jié)構(gòu)，讓儀器操作更方便、更穩(wěn)定；準(zhǔn)備將對儀器的外觀進行改進，達到即美觀又好用；若有條件擬將對本儀器的軟、硬件進行再改進，讓這套化學(xué)反應(yīng)速率檢測裝置更加的完善，希望能將其應(yīng)用到更多的領(lǐng)域（跨學(xué)科——生物學(xué)等）。

參考文獻：

[1]龔國祥.“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)實錄[J].化學(xué)教學(xué)，2011（9）.

[2]洪湘瓊.基于概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)創(chuàng)新與實踐——“化學(xué)反應(yīng)速率”第1課時的教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教育，2013（10）.

[3]楊帆.有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡中幾個概念的探討[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（1）.