基于智能手機(jī)傳感器的手持技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

洪俊華 趙寧東 劉俊 劉江

摘要：為研究碘鐘振蕩反應(yīng)隨氫離子濃度的變化規(guī)律，在自制“暗箱”內(nèi)以LED燈作為光源，用手機(jī)軟件和手機(jī)內(nèi)置光線傳感器做檢測(cè)系統(tǒng)，將透過(guò)不同濃度氫離子碘鐘振蕩體系光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的變化，繪制出碘鐘振蕩反應(yīng)周期性變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著氫離子濃度的改變，振蕩周期、周期穩(wěn)定性及各階段持續(xù)振蕩時(shí)間變化能在曲線上表現(xiàn)出來(lái)。為研究碘鐘反應(yīng)提供一種新的技術(shù)和方法。

關(guān)鍵詞：振蕩反應(yīng);手機(jī)傳感器;數(shù)字信號(hào);碘鐘反應(yīng)

文章編號(hào)：1008-0546（2020）09-0085-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

手持技術(shù)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套分析軟件組成的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，它不僅是一種先進(jìn)的定量采集科學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種常見(jiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)直觀可視的曲線圖像的現(xiàn)代教育信息技術(shù)，也可以作為有助于學(xué)生克服抽象概念學(xué)習(xí)難點(diǎn)的認(rèn)知工具。

振蕩反應(yīng)是指在某一體系中，某些狀態(tài)量（如物質(zhì)的濃度，電極電勢(shì)）隨時(shí)間、空間發(fā)生周期性變化的反應(yīng)。在自然界中有很多生物化學(xué)例子，如動(dòng)物的脈搏、體溫、血壓隨著晝夜變化做周期性變化，控制人體生理活動(dòng)的“生物鐘”，昆蟲翅膀周期性的振動(dòng)等。非生命的碘鐘反應(yīng)也是一種化學(xué)振蕩反應(yīng)，神奇的現(xiàn)象吸引著科學(xué)愛(ài)好者。綜合分析文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，化學(xué)教育領(lǐng)域關(guān)于碘鐘實(shí)驗(yàn)的報(bào)道多集中于化學(xué)史的梳理及用不同的試劑來(lái)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多數(shù)采用肉眼觀察顏色變化和計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)的方式研究周期性變化和反應(yīng)持續(xù)總時(shí)間。碘鐘反應(yīng)顏色振蕩具有動(dòng)態(tài)性，靠肉眼觀察顏色變化很難準(zhǔn)確判斷顏色變化的關(guān)鍵點(diǎn)，不方便計(jì)時(shí)。林瑞蓮等通過(guò)自編計(jì)算機(jī)程序的方法改進(jìn)了碘鐘實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要手動(dòng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成數(shù)據(jù)的記錄。孫影等利用氧化還原傳感器（ORP）與相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器獲取反應(yīng)過(guò)程中體系“時(shí)間一電位”變化，從微觀角度幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的反應(yīng)本質(zhì)，效果好于肉眼觀察。

在碘鐘振蕩體系中溶液呈現(xiàn)出“無(wú)色一琥珀色一藍(lán)色”周期性變化?；诖?，用“Phyphox”軟件調(diào)用手機(jī)內(nèi)置傳感器，把透過(guò)碘鐘振蕩體系光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)變化并繪制成信號(hào)變化曲線，曲線能夠直觀地顯示振蕩體系顏色的變化，解決了振蕩實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)顏色變化終點(diǎn)難以捕捉和計(jì)時(shí)不方便的問(wèn)題。

一、實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)器料與藥品

（1）實(shí)驗(yàn)器材

電子天平（梅特勒一托利多儀器（上海）有限公司），智能手機(jī)（華為FIG-ALOO），筆記本電腦，燒杯，量筒，LED燈，自制“暗箱”。

（2）實(shí)驗(yàn)藥品

所有藥品均為分析純。碘酸鉀、丙二酸、硫酸錳（MnSO4·H2O）、可溶性淀粉、30%過(guò)氧化氫、濃硫酸。

2.溶液的配制

溶液A：將97.OmL 30%過(guò)氧化氫溶液加水稀釋至250mL;溶液B：將2.61g丙二酸和0.76g硫酸錳及0.10g可溶性淀粉溶解稀釋至250mL;溶液C：根據(jù)表1用硫酸調(diào)節(jié)氫離子濃度，保持逐級(jí)遞增0.06mol/L，形成氫離子濃度不同的8種濃度為0.20mol/L碘酸鉀溶液。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在手機(jī)“軟件市場(chǎng)”搜索“傳感器套件：phyphox”（3.3M，免費(fèi)）下載安裝。啟動(dòng)軟件，點(diǎn)擊“Light”菜單調(diào)用手機(jī)內(nèi)置光線傳感器，點(diǎn)開(kāi)手機(jī)右側(cè)功能選項(xiàng)卡“Allow remote access”菜單方框中打勾激活數(shù)據(jù)共享功能，電腦瀏覽器菜單欄中輸入手機(jī)屏幕下方彈出的地址使二者建立連接，實(shí)現(xiàn)電腦上控制手機(jī)軟件及觀察曲線變化和保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，“Time Run”菜單打勾設(shè)延時(shí)5s，持續(xù)記錄時(shí)間設(shè)為500s，也可根據(jù)需要設(shè)置。

搭建圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，在自制“暗箱”頂部固定一個(gè)LED燈，通電點(diǎn)亮預(yù)熱5min。關(guān)閉手機(jī)屏幕“自動(dòng)亮度模式”并調(diào)至適宜亮度置于LED燈正下方，把小燒杯放到手機(jī)的光線傳感器正上方。運(yùn)行軟件，觀察到曲線呈穩(wěn)定的水平直線即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。加入20mL溶液A、20mL溶液B，在電腦點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕運(yùn)行程序，立即加入20mLCl溶液混合，體系氫離子濃度為原來(lái)的1/3即0.02mol/L，攪拌均勻關(guān)閉暗箱，在電腦觀察曲線變化，待曲線下降到最低點(diǎn)不再變化時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)開(kāi)電腦右側(cè)更多功能選項(xiàng)卡“Export Data”菜單以“Excel”的形式導(dǎo)出“時(shí)間-光強(qiáng)度”數(shù)據(jù)存入電腦待用，重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次。按上述方法，測(cè)其余7組不同氫離子濃度時(shí)間與光強(qiáng)度變化的數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入“Origin2017”以反應(yīng)時(shí)間為橫坐標(biāo)，光線強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制“時(shí)間-光強(qiáng)度”變化曲線如表2（表中氫離子濃度為三種溶液等體積混合后濃度）。利用“Origin”自帶的“數(shù)據(jù)讀取器”讀取相鄰兩個(gè)峰最高點(diǎn)的時(shí)間差計(jì)算出振蕩周期，表3為振蕩次數(shù)和各階段持續(xù)時(shí)間（均為三次實(shí)驗(yàn)平均值）。

通過(guò)分析表2和表3可以得出：不同氫離子濃度振蕩體系周期變化、周期穩(wěn)定性及振蕩持續(xù)總時(shí)間不相同。氫離子濃度為0.02mol/L體系現(xiàn)象不明顯，氫離子濃度為0.04mol/L體系振蕩持續(xù)總時(shí)間最長(zhǎng)，振蕩次數(shù)最多;氫離子濃度為0.06、0.08mol/L的體系振蕩持續(xù)總時(shí)間較長(zhǎng)。氫離子濃度為0.16mol/L的持續(xù)總時(shí)間最短，振蕩次數(shù)最少。氫離子濃度從0.04mol/L起，隨著氫離子濃度的增大，周期和藍(lán)色持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，振蕩次數(shù)和持續(xù)總時(shí)間減少。在同一氫離子濃度體系中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，周期和藍(lán)色持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，振蕩結(jié)束時(shí)曲線下降到最低點(diǎn)，圖2代表振蕩過(guò)程中“無(wú)色一琥珀色一藍(lán)色”的顏色交替變化過(guò)程。

振蕩過(guò)程實(shí)際上是碘元素發(fā)生歧化反應(yīng)的過(guò)程，過(guò)氧化氫既做氧化劑又做還原劑。一定濃度氫離子，改變碘酸根離子的氧化性，主要存在以下反應(yīng)：

曲線變化與溶液顏色變化一一對(duì)應(yīng)，溶液混合初碘離子濃度較低，二價(jià)錳離子被氧化成三價(jià)錳離子且濃度逐漸增大（1）-（2），體系顏色由無(wú)色變?yōu)殓晟?，曲線從最高點(diǎn)開(kāi)始下降（圖3A→B段）。隨著反應(yīng)進(jìn)行碘離子濃度增大，碘酸根與碘離子反應(yīng)產(chǎn)生碘單質(zhì)不斷積累和淀粉反應(yīng)使體系成藍(lán)色（3），曲線迅速下降到最低點(diǎn)（圖3B→C段），藍(lán)色持續(xù)時(shí)間為（圖3C→D段），碘單質(zhì)與丙二酸反應(yīng)生成碘代丙二酸，碘單質(zhì)濃度降低，藍(lán)色褪去體系變?yōu)闊o(wú)色（4），曲線迅速上升（圖3D→E段），體系為無(wú)色時(shí)曲線達(dá)到最高點(diǎn)（圖3E點(diǎn)）。三價(jià)錳離子具有較強(qiáng)的氧化性，碘代丙二酸被氧化成甲酸，二氧化碳和碘離子（5），同時(shí)三價(jià)錳離子被還原成二價(jià)錳離子，完成振蕩周期（圖3A→E段和F→G段）。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的次碘酸具有自催化作用，下一個(gè)振蕩反應(yīng)又開(kāi)始。隨著氫離子濃度增大碘酸根的氧化性增強(qiáng)，產(chǎn)生的碘單質(zhì)增多，丙二酸消耗碘所需時(shí)間變長(zhǎng)，藍(lán)色持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。在同一氫離子體系中，隨著反應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)生的碘單質(zhì)不斷積累，丙二酸濃度降低，藍(lán)色持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。最終因大量的碘單質(zhì)不斷積累不能被丙二酸消耗完體系成深藍(lán)色，顏色振蕩停止。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意，筆記本電腦和手機(jī)必須連接同一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，LED燈的亮度800-1400Lx為宜;軟件設(shè)置延時(shí)可以減少操作對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，延時(shí)設(shè)為5s即點(diǎn)擊“開(kāi)始”5s后開(kāi)始采集記錄數(shù)據(jù)，可充分利用延時(shí)功能減少實(shí)驗(yàn)干擾。實(shí)驗(yàn)廢液中有大量碘單質(zhì)應(yīng)妥善處理回收利用，減少環(huán)境污染。

三、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過(guò)“Phyphox”軟件調(diào)用智能手機(jī)內(nèi)置光線傳感器把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的變化，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化動(dòng)態(tài)過(guò)程以曲線形式直觀清晰的表達(dá)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和圖像相結(jié)合，最終將圖像呈現(xiàn)在電腦屏幕上。手機(jī)內(nèi)置傳感器結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用程序能快速地把物理量變化精確的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)變化，并能自動(dòng)采集、處理加工傳輸，且數(shù)據(jù)的變化與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化和過(guò)程同步。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中充分借助智能手機(jī)和相應(yīng)軟件調(diào)用手機(jī)自帶的傳感器組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)、記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與過(guò)程，構(gòu)建新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。結(jié)合時(shí)下前沿科技，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)采用多種傳感器對(duì)反應(yīng)體系進(jìn)行測(cè)量，從多個(gè)角度進(jìn)行多因素探究。以智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)作為起點(diǎn)將實(shí)驗(yàn)與人工智能、大數(shù)據(jù)相結(jié)合讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化，現(xiàn)象和過(guò)程可視化。