數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在干燥劑干燥性能研究中的應(yīng)用

盛儉發(fā) 徐泓

（1.宣城市第二中學(xué) 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(duì)濕度傳感器對(duì)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)室制備氫氣的干燥效果，濃硫酸>無水氯化鈣>硅膠>堿石灰。

關(guān)鍵詞：相對(duì)濕度傳感器;干燥劑;氫氣的干燥

文章編號(hào)：1008-0546（ 2021）08-0085-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.022

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)學(xué)科的重要內(nèi)容，在發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面具有積極的作用。筆者選擇中學(xué)化學(xué)常見的干燥劑為研究對(duì)象，嘗試借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過實(shí)證的方式探究不同類型干燥劑的干燥效果，可以引導(dǎo)學(xué)生在探究過程中培養(yǎng)證據(jù)和思辨意識(shí)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)學(xué)科的價(jià)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(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中氣體制備、純化過程中常用的試劑，也是各類考試習(xí)題巾常見的考查內(nèi)容。如人教版教材必修1的課后習(xí)題中有如下習(xí)題[1]：

在實(shí)驗(yàn)室中，常使氣體通過干燥劑達(dá)到干燥氣體的目的。選擇干燥劑時(shí)應(yīng)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(xué)生：能根據(jù)所干燥氣體和干燥劑的性質(zhì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)檢測它們的干燥效果呢？實(shí)驗(yàn)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(xué)生借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以“不同干燥劑的干燥性能研究”為主題開展了實(shí)驗(yàn)研究。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢測不同干燥劑的干燥效果，本實(shí)驗(yàn)選擇空氣和實(shí)驗(yàn)室制取的氫氣為干燥對(duì)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(duì)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(shí)，以相同時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度的變化曲線表征干燥的速率和效果。

三、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

（1）實(shí)驗(yàn)儀器：

計(jì)算機(jī)、Vernier LabQuest Mini數(shù)據(jù)采集器、相對(duì)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(xì)化工有限公司）、無水氯化鈣（泰州市長埔化學(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）將相對(duì)濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連;將相對(duì)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(gè)相同的密閉容器中（如裝置示意圖1），開始用logger Pro采集數(shù)據(jù)，通過軟件分析并以時(shí)間為橫軸、相對(duì)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(fù)（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(fù)（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(fù)（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(yīng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)（測濃硫酸時(shí)，用洗氣裝置代替U型管），用logger Pro米集數(shù)據(jù)，通過軟件分析并以時(shí)間為橫軸、相對(duì)濕度為縱軸作圖，分別得到圖7-10，以比較不同干燥劑對(duì)氫氣的干燥性能。

四、結(jié)果與討論

1.利用相對(duì)濕度傳感器同時(shí)檢測兩組不同干燥劑干燥空氣的相對(duì)濕度變化

通過每組實(shí)驗(yàn)，記錄兩種不同干燥劑起始相對(duì)濕度（相同）和干燥后密閉容器內(nèi)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算出相對(duì)濕度差值，可以了解在相同時(shí)間內(nèi)干燥速率和干燥效果;如表l所示。

以時(shí)間為橫軸，相對(duì)濕度為縱軸;每組干燥劑都是在相同時(shí)間內(nèi)（大約30000秒），不同溫度下采集，分析數(shù)據(jù)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(gè)順序;其中堿石灰干燥空氣的相對(duì)濕度不降反升的異?，F(xiàn)象，說明對(duì)于濕度不大的空氣，堿石灰不但達(dá)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(duì)濕度傳感器檢測不同干燥劑干燥氫氣前后的相對(duì)濕度變化

通過每組實(shí)驗(yàn)，記錄不同干燥劑起始環(huán)境相對(duì)濕度和干燥氫氣前后相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，比較干燥效果;如表2所示。

以時(shí)間為橫軸，相對(duì)濕度為縱軸;分析采集干燥氫氣前后的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)得出，在通入采集數(shù)據(jù)大約300秒時(shí)，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(guān)，硅膠球形，有間隙，使得氣體不能充分接觸干燥，液態(tài)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(duì)濕度相比有一定的干燥性，但是最后相對(duì)濕度比環(huán)境濕度還要高，這更加證明了在密閉系統(tǒng)干燥時(shí)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(dāng)然對(duì)于干燥氣體的干燥劑效果優(yōu)劣與產(chǎn)生氣體的速率、制備氣體反應(yīng)物濃度、干燥劑的狀態(tài)、干燥劑的用量都密不可分。

五、結(jié)語

對(duì)于常見的干燥劑，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較其干燥性能繁瑣，通過相對(duì)濕度傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“實(shí)時(shí)監(jiān)控”全過程，直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)出來，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)于化學(xué)四重表征中的微觀表征和曲線表征更是有獨(dú)特的優(yōu)勢，其在課堂上的運(yùn)用是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充，基于真實(shí)情境，實(shí)際問題，利用學(xué)科知識(shí)解決問題，提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)[2-3]。

參考文獻(xiàn)

[1]宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書：化學(xué)（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007

[2]盛儉發(fā)，徐泓，鄭軍.二氧化碳制備中對(duì)鹽酸揮發(fā)性的監(jiān)測[J].化學(xué)教學(xué)，2018（8）：66-68

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