化學(xué)反應(yīng)速率測定實驗的數(shù)字化設(shè)計
——手機壓力傳感器的應(yīng)用

湖北省安陸市第一高級中學(xué)(432600) 楊世全

1 問題的提出

“定量測定和比較化學(xué)反應(yīng)速率”屬于人教版選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理第2章第1節(jié)內(nèi)容，該實驗利用錐形瓶和分液漏斗組裝成反應(yīng)容器，用注射器作為量取氣體的儀器，錐形瓶內(nèi)放置Zn粒，向分液漏斗中加入稀硫酸，測定產(chǎn)生10 mL氣體所需要的時間，通過單位時間內(nèi)氣體體積的變化量表征化學(xué)反應(yīng)速率，并比較反應(yīng)速率的快慢，實驗裝置如圖1所示。在實施該實驗的過程中，出現(xiàn)了如下幾個問題：①整套裝置屬于封閉體系，硫酸難以滴入，且加入的硫酸的體積會影響氣體體積；②該裝置在常壓下氣密性良好，當(dāng)容器內(nèi)氣體增多則裝置氣密性變差；③實驗進行的過程中，注射器活塞摩擦力大，導(dǎo)致活塞在瓶內(nèi)壓強增大到一定程度才開始移動，不同注射器活塞摩擦力不同，因此內(nèi)部氣體壓強和外界氣壓不相等，導(dǎo)致體積測量出現(xiàn)誤差；④該裝置測定的是平均速率，不能觀察到瞬時速率的變化。

該實驗雖然裝置簡單，操作容易，但是準(zhǔn)確測定反應(yīng)速率有較大難度。經(jīng)過檢索“化學(xué)反應(yīng)速率測定”實驗的改進，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)改進是基于對該裝置的改進，對試劑用量的改進；一部分教師也進行了數(shù)字化的改進，使用的儀器為壓力傳感器、數(shù)據(jù)收集器、計算機(帶專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件)等。目前在大多數(shù)普通高級中學(xué)實驗室中并沒有配制這樣的數(shù)字化實驗裝置，因此難以實現(xiàn)該實驗的數(shù)字化設(shè)計。

隨著手機的不斷發(fā)展，智能手機中裝備了越來越多的傳感器，如氣壓感應(yīng)器、三軸陀螺儀、加速感應(yīng)器、距離感應(yīng)器、環(huán)境光傳感器等。因此，筆者設(shè)想用智能手機測量壓強，設(shè)計一個能準(zhǔn)確測量化學(xué)反應(yīng)速率的實驗裝置。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗原理

在化學(xué)反應(yīng)原理教材中，測量反應(yīng)速率的標(biāo)準(zhǔn)是測量單位時間內(nèi)氣體體積的變化，而人教版教材化學(xué)必修2第6章“練習(xí)與應(yīng)用”第9題則設(shè)計了測定壓強的變化實驗，通過壓強的變化可以認識速率的變化。以此為參考，可以利用智能手機中的壓力傳感器作為測量壓強的儀器，測量Mg與稀硫酸反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H2壓強，借助Phyphox軟件收集壓強數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)繪制圖像，同時可以通過Phyphox上的選取數(shù)據(jù)的功能選擇一段時間內(nèi)壓強的變化數(shù)值，用壓強變化表征反應(yīng)速率大小，并對比反應(yīng)速率的大小。

2.2 實驗裝置的設(shè)計

考慮到用智能手機測量氣體壓強，所收集的氣體中不能含有容易腐蝕手機的氣體，因此將必修2習(xí)題中的鹽酸改為稀硫酸，減少除雜裝置的設(shè)計，參考教材使用的鹽酸濃度，將稀硫酸的濃度設(shè)為0.5 mol/L，則溶液中的H+濃度為1 mol/L，等同于1 mol/L的鹽酸。

經(jīng)過對教材中實驗裝置的分析，利用手機測定壓強的實驗裝置，需要注意裝置氣密性，且能夠放入手機。以iPhone 6的尺寸為例，其長為13.8 cm，寬為6.7 cm，實際考慮其突出的按鍵，則最寬處為7 cm，因此需要尋找一個可以儲氣的裝置，長度大于14 cm，寬度大于7 cm，生活中常見的容器有塑料餅干瓶和玻璃罐頭瓶(見圖2)。

在常壓下，將兩種容器放入水中，兩者均不漏氣、不滲水，說明常壓下兩種容器的氣密性較好。進行一組測定實驗后，發(fā)現(xiàn)塑料餅干瓶中氣體的壓強變化曲線如圖3(a)所示。從圖中可以看出，反應(yīng)之前裝置內(nèi)壓強數(shù)據(jù)基本不變，反應(yīng)開始后，壓強迅速增大，當(dāng)壓強增加到1 010 hPa左右時，壓力開始下降，之后壓強持續(xù)降低，但是觀察試管中的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)Mg條和稀硫酸仍然在發(fā)生反應(yīng)，說明該裝置在壓力上升到一定程度后氣密性變差，因為壓強增大時瓶蓋和瓶身之間容易出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致氣密性變差，不適合作為儲氣的容器。玻璃罐頭瓶的測定結(jié)果如圖3(b)所示，可以看出隨著反應(yīng)的進行，瓶內(nèi)壓強持續(xù)上升，直至反應(yīng)完全，壓強趨于一條水平線，因此玻璃罐頭瓶可以作為儲存氣體的裝置。在生活中，玻璃罐頭瓶通常需要在負壓下保存罐頭，因此其耐壓性較好，所以適合作為本實驗的儲氣容器。

圖3 塑料餅干瓶和玻璃罐頭瓶中壓強變化曲線

由于手機壓強傳感器比較靈敏，所以試劑的用量可以減少，選擇4 mL 0.5 mol/L的H2SO4和足量Mg條為宜，保證實驗過程中壓強有一定的變化，且反應(yīng)在10 min左右即停止，Mg條不易過多，一般選擇2段3 cm長的Mg條，反應(yīng)容器可以選擇試管或Y型管。在進行Mg和稀硫酸反應(yīng)的實驗時會產(chǎn)生大量的水汽，為了保證手機不受損害，因此在反應(yīng)容器之后增加一個干燥裝置。利用Y型管混合溶液，保證從實驗的開始階段就可以測量壓強變化。實驗設(shè)計圖如圖4(a)所示，實物裝置如圖4(b)所示。

圖4 實驗裝置設(shè)計圖和實物圖

2.3 實驗試劑及儀器

實驗試劑：Mg條(足量)、4 mL 0.5 mol/L稀H2SO4、無水CaCl2。

實驗儀器：試管、橡膠塞(帶孔)、輸液管、Y型管、玻璃罐頭瓶、棉花、砂紙、小刀、鑷子、智能手機(帶壓強傳感器、Phyphox APP)。

2.4 實驗的操作與步驟

2.4.1 實驗裝置的組裝及實驗前的準(zhǔn)備

(1)簡易干燥器的制作：取醫(yī)用輸液管，將滴壺一端剪開形成大口，另一端不變，去掉多余的細軟管，在滴壺中裝入一小團棉花，輕輕堵住細管口，加入足量無水CaCl2，用棉花堵住大口。將帶細軟管的一端插入帶孔的橡膠塞中，制成簡易干燥器。

(2)取2段3 cm的Mg條，用砂紙將表面的氧化膜打磨干凈，用鑷子夾取放入Y型試管一端的底部，Y型管的另一端則加入4 mL的稀硫酸，用組裝好的橡膠塞塞住試管口。

(3)將iPhone 6手機打開，設(shè)置成屏幕常亮模式，打開Phyphox APP，進入壓力測量界面，點擊開始，或者設(shè)置定時開始，放入罐頭瓶中。教師演示實驗則可以打開手機投屏軟件，將手機屏幕投放到電子白板上，此時Phyhox測壓界面會在電子白板上顯示。

2.4.2 實驗操作

將罐頭瓶瓶蓋蓋好，觀察手機中壓強的變化，一段時間，壓強趨于穩(wěn)定，則裝置氣密性良好，此時，將罐頭瓶傾斜，迅速將Y型管中的硫酸和Mg混合，記下混合的時間。觀察屏幕中壓力曲線的變化，當(dāng)壓力數(shù)值趨于一條平滑直線時，打開罐頭瓶瓶蓋，拿出手機點擊Phyphox軟件中暫停鍵，停止測壓。

2.5 實驗數(shù)據(jù)的分析與處理

觀察所測曲線，利用Phyphox APP中選取數(shù)據(jù)的功能，在繪制的p-t圖像中，可以選擇反應(yīng)開始一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)和反應(yīng)進行一段時間后的數(shù)據(jù)進行對比(見圖5)。

圖5 Mg與稀硫酸反應(yīng)的壓強變化曲線

初始階段：時間Δt=40.49 s，Δp=17.479 hPa，計算出這一段時間內(nèi)平均反應(yīng)速率(用壓強表示)為：v=0.431 7 hPa/s；200 s之后：時間Δt=40.48 s，Δp=2.62 hPa，計算其平均反應(yīng)速率為：v=0.064 7 hPa/s。說明反應(yīng)開始階段其平均反應(yīng)速率較快，之后反應(yīng)速率變慢。從曲線的陡峭程度可以看出，最開始曲線較陡，說明壓強變化快，反應(yīng)速率較快，之后曲線較為平緩，壓強變化慢，則反應(yīng)速率較慢，從圖中可以得出結(jié)論，Mg與0.5 mol/L H2SO4反應(yīng)，隨著硫酸逐漸消耗，H+濃度逐漸降低，反應(yīng)速率逐漸減小。

將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Origin軟件可以求導(dǎo)得到瞬時速率的變化曲線，如圖6所示，從瞬時速率的變化曲線上可以分析出，隨著反應(yīng)的不斷進行，瞬時反應(yīng)速率先增大后減小，可以進一步幫助學(xué)生分析Mg和稀硫酸反應(yīng)的過程中影響速率變化的因素。

圖6 Mg與稀硫酸反應(yīng)的壓強變化曲線和瞬時速率變化曲線

3 實驗創(chuàng)新與總結(jié)

首先，本實驗從表征數(shù)據(jù)上做了改進，從測量體積到測量壓強，從計算平均反應(yīng)速率到分析瞬時速率，從表格數(shù)據(jù)到圖像數(shù)據(jù)，利用不同的測量方式，實現(xiàn)不同的化學(xué)反應(yīng)速率的表征。其次，本實驗的改進更貼近化學(xué)反應(yīng)的實際情況，融入圖表信息的處理，可以提升學(xué)生數(shù)據(jù)處理和圖表的辨識能力。改進后的裝置，實驗取材簡單，操作容易，利于學(xué)生自主研究創(chuàng)新，推廣性強，可以培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。