運用數字化傳感器多角度探究濃度對化學反應速率的影響及優(yōu)化建議

摘要：有關濃度對化學反應速率的影響實驗中，傳統實驗大多以相同時間內產生氣泡的多少作為定性判斷依據。魯科版高中化學必修“探究化學反應速率的影響因素”教學中，不同濃度的鹽酸與鎂片反應，鹽酸濃度越大，產生的氣泡越少。本實驗運用多種數字化傳感器從不同角度進行多重探究，得出科學嚴謹的結論，并對教材中的實驗提出了優(yōu)化建議。本實驗探究，培養(yǎng)了學生發(fā)現問題、敢于質疑的科學精神，提升了學生科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)，促使學生能從各個實驗現象中找出證據進行分析推理，揭示化學反應的本質和規(guī)律，提升學生證據推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：控制變量法 實驗 數字化傳感器 高中化學

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是培養(yǎng)和發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”“證據推理與模型認知”核心素養(yǎng)的非常重要的教學手段?！翱茖W探究與創(chuàng)新意識”可以理解為在實驗過程中，善于抓住實驗過程中的異?，F象，能提出有探究價值的問題，從問題和假設出發(fā)，依據探究目的設計實驗方案，運用數字化等現代手段進行實驗探究。在實驗過程中，學生要敢于質疑、提出問題，不斷收集證據進行推理、論證，得出科學、嚴謹的實驗結論；建立數字化實驗模型，進行科學探究，從而發(fā)展“證據推理與模型認知”核心素養(yǎng)。

一、提出假設

魯科版高中化學必修第二冊“探究化學反應速率的影響因素”，教材中出現的試劑有表面積大致相同的鎂條和鐵片、塊狀碳酸鈣、碳酸鈣粉末、二氧化錳粉末，3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液、H2O2溶液（3%）。

學生根據生活經驗分析得出影響化學反應速率的因素有溫度、濃度、壓強、催化劑、接觸面積等，并分組討論和交流，總結出探究化學反應速率的影響因素的實驗方案和判斷依據。推斷出其判斷反應速率快慢的依據為：相同時間內產生的氣泡。

學生設計方案時，教師應提醒學生注意控制變量。

通過實驗，學生很容易得出溫度升高化學反應速率加快、使用催化劑化學反應速率加快、增大接觸面積化學反應速率加快。但是表面積大致相同的鎂片與等體積的0.5 mol/L鹽酸溶液、3 mol/L鹽酸溶液反應，前者產生的氣泡多。

設計意圖：在探究化學反應速率的影響因素中運用控制變量思想，學生能更容易理解和掌握知識。鎂片與不同濃度的鹽酸反應結果不同，這需要啟發(fā)學生分析原因，敢于質疑并進行后續(xù)的實驗推理論證。這是本實驗教學的問題來源，也是亮點。

二、分析問題

教師引導學生從離子反應、氧化還原反應等角度，全面分析該反應的特點，總結出可以從溶液的溫度變化、產生氣體的壓力變化、離子濃度變化等角度來探究該反應的快慢。

實驗方案1：表面積大致相同的鎂條分別與等體積3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應，用溫度傳感器測反應液溫度變化。

師生共同探究實驗1：用溫度傳感器實測反應過程中溫度的變化（圖1）：

結論：液體濃度越大，化學反應速率越快。

設計意圖：由傳統實驗得出用氣泡的多少來判斷化學反應速度不嚴謹后，引入數字化實驗，通過實時采集、記錄數據形成曲線圖像，能直觀得出科學嚴謹的實驗結論，并建立數字化實驗裝置模型，對后續(xù)的數字化實驗方案的設計和實施有很好的啟示?；瘜W反應的實質是有新物質生成，同時伴隨能量變化。學生在已有的知識基礎上，用數字化實驗彌補了傳統實驗現象不明顯的缺陷，同時根據曲線得出，鎂與鹽酸反應產生放熱，且鹽酸濃度越大，化學反應速率越快。

實驗方案2：表面積大致相同的鎂條分別與等體積3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應，用壓力傳感器實測密閉體系中壓力的變化。

師生共同探究實驗2：用壓力傳感器測壓強變化（圖2）：

結論：液體濃度越大，化學反應速率越快。

設計意圖：測壓力變化需要在一個封閉的空間內進行，教師引導學生設計一個封閉體系的實驗裝置，也是控制變量思想的落實。在分析過程中，學生比較容易關聯實驗1中的結論，得出“該反應發(fā)生放熱，氣體壓力增大”的結論，對實驗結果產生了干擾。教師從氧化還原反應的角度，引出氧化還原電勢傳感器的應用。

實驗方案3：表面積大致相同的鎂條分別與3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應，用氧化還原電勢傳感器測電勢變化。

師生共同探究實驗3：用氧化還原電勢傳感器測反應快慢（圖3）：

結論：液體濃度越大，化學反應速率越快。

設計意圖：實驗方案層層遞進、邏輯結構清楚，根據實驗現象進行分析、推理、論證，有助于學生從深層次理解和落實控制變量思想；引入氧化還原電勢差概念，為后續(xù)原電池的學習奠基礎，有利于發(fā)展學生的高階思維。

經過教師的引導和啟發(fā)，學生的思維得到拓展。此時，又有學生從控制變量的角度提出了“酸根離子是否會影響化學反應的速率”，從而設計出實驗方案4。

實驗方案4：表面積大致相同的鎂條分別與1.2 mol/L鹽酸溶液、0.6 mol/L鹽酸溶液反應，用壓力傳感器測壓強變化。

師生共同探究實驗4：H+濃度相同的等體積鹽酸和硫酸與鎂條反應的快慢（圖4）：

結論：H+濃度相等時，硫酸與鎂條反應速率較快，SO2-4可能為該反應的催化劑。

設計意圖：進一步落實控制變量法在實驗探究中的應用，學生能多角度思考、分析、解決問題。

三、解決問題

教師再次播放之前觀察氣泡的實驗視頻，引導學生觀察現象，分析傳統實驗的不足：由于濃度大的鹽酸溶液，鎂條浮在液面上，產生的氣泡不經過溶液直接溢出，所以造成濃度大的溶液產生氣泡少的假象。

從表1中可以分析得出濃度最大的鹽酸密度仍然小于鎂的密度，所以鎂條浮在液面上是由于濃度大的鹽酸反應速率快，產生的氫氣就多，同時放出的熱量也多，產生的水蒸氣也多，在共同作用下鎂片浮于液面。

那么，這種解釋是否科學合理呢？硫酸的濃度密度如下表：

從表2可以分析得出，常用硫酸密度也小于鎂條的密度，由于之前實驗用的是0.6 mol/L硫酸，根據公式c=1000 ρω/W，經過計算可得5.5%的硫酸溶液的物質的量濃度為0.58 mol/L，約為0.6 mol/L，密度為1.035，小于鎂的密度，實驗結果同樣是鎂條浮在5.5%的硫酸的液面上，從而驗證了猜想。筆者認為應該改鎂條為鐵片進行反應，后續(xù)驗證實驗也證明了鐵片是在溶液底部，避免了干擾。

四、結論及反思

本研究指出了教材實驗的不足之處：氣泡多少作為判斷速率快慢的依據并不嚴謹；提出了實驗優(yōu)化方案，即改鎂片為鐵片；硫酸濃度和密度對照表的搜索，能引導學生在平時學習中要善于從互聯網獲取有用的信息；通過分析傳統實驗中的不足，引導學生遇到問題時要透過現象看本質，培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學探究精神；運用數字化傳感器，加深學生對影響化學反應速率快慢因素的理解和掌握，引導學生從不同角度進行分析和探究問題。

通過本實驗探究，強化了“控制變量法”在實驗探究過程中的落實；通過發(fā)現、質疑、分析、推理等方法認識了研究對象的本質特征，建立起了提出問題—分析問題—解決問題的認知模型。本研究培養(yǎng)了學生發(fā)現問題、敢于質疑的科學精神，發(fā)展了學生應用現代技術——數字化儀器進行科學探究的高階思維，提升了學生科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。學生能建立起數字化實驗模型，并從各個實驗現象中找出證據進行分析推理，揭示化學反應的本質和規(guī)律，提升了學生證據推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

責任編輯：趙瀟晗