氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用

王欣磊+沈甸

摘要：傳統(tǒng)實驗操作簡便，現象直觀，但學生難以體會到變化的微觀過程。在傳統(tǒng)實驗中引入依托傳感技術的數字化信息技術是提高實驗教學效果的重要手段。利用壓強傳感技術測定二氧化碳在水中的溶解速率，檢驗二氧化碳與氫氧化鈉、飽和碳酸鈉溶液反應所具有的特有現象，可揭示化學變化內在的某些特點，也可為中學化學實驗教學提供豐富素材。

關鍵詞：中學化學實驗教學；數字化技術實驗；壓強傳感器；二氧化碳檢測

文章編號：1005–6629（2015）9–0058–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學是一門基于實驗的科學，化學實驗對于理解化學理論知識裨益頗大。中學化學中常用的基于玻璃儀器和試劑的傳統(tǒng)實驗操作簡單，對于有發(fā)光、發(fā)熱、顏色變化等現象明顯的化學反應教學效果好。但涉及到有氣體產生、微弱溫度變化、電子轉移等用肉眼難以觀察到現象的實驗，學生只能憑空想象，教學效果差強人意。

早在1978年，發(fā)達國家已使用傳感器來輔助教學。在美國化學教材[1]中，將依托傳感器設計的新型實驗取代了過去的傳統(tǒng)實驗。但反觀國內中學化學教學現狀，即使在上海這樣較發(fā)達地區(qū)，真正將傳感技術應用于課堂中的學校屈指可數。筆者認為，除了資金原因之外，缺乏緊扣教材內容、切實可行、設備簡單的實驗教學案例是傳感技術尚未被廣泛使用的主要原因。

當前，適用于中學化學教學的傳感器有多種類型，如溫度傳感器、pH傳感器等。本文將以壓強傳感器作為主要的實驗設備，結合傳統(tǒng)實驗設備測定二氧化碳在水中的溶解速率，檢驗二氧化碳與氫氧化鈉、碳酸鈉反應的特有現象。選擇壓強傳感技術的原因在于：（1）壓強傳感器的數據可靠，性能穩(wěn)定，操作便捷；（2）壓強是研究氣體反應的一個重要參數，傳統(tǒng)實驗難以測定。引入壓強傳感技術能將壓強數字化、直觀化，掃除學生理解上的障礙；（3）壓強傳感器相對比較便宜，一套壓強傳感器裝置的價格在2000元以內，能為一般中學所接受。

1 壓強傳感技術及裝置簡介

壓強傳感技術是DIS（數字化信息系統(tǒng)）實驗技術的一種，由壓強傳感器、數據采集器、計算機和通用軟件組成。壓強傳感器是通過壓強傳感器監(jiān)測在恒容、密閉體系中氣體微弱的壓強變化，然后把測得的壓強轉化為電信號，數字采集器將電信號處理后傳入計算機內，通過通用軟件進行分析處理，并以數據圖表等形式輸出[2]。

本研究中所使用的實驗裝置如圖1所示。該裝置是以250mL集氣瓶作為反應容器，配以符合集氣瓶口徑的單孔橡皮塞，橡皮塞連接塑料導管再連接至壓強傳感器。用集氣瓶作為反應容器連接壓強傳感器進行實驗能貼近教材上相關實驗裝置，裝置簡單操作簡化，能在較短的時間內精確測出集氣瓶內微弱的壓強變化。

2 壓強傳感技術在中學化學教學中的應用

2.1 二氧化碳收集方法探究

實驗室中如何收集一瓶純度較高的二氧化碳氣體？在我國的中學化學教材中，二氧化碳通常用向上排空氣法收集，而用該法收集二氧化碳很難判斷氣體是否集滿：已有實驗[3]證明當二氧化碳的體積分數超過30%就能使點燃的木條熄滅。因此用此法收集到的二氧化碳往往不純。

20℃，一個標準大氣壓下，1體積水中能溶解0.88體積的二氧化碳。因此二氧化碳通常被認為不能使用排水法收集。但國外的化學教材上多用排水法來收集。國內已有不少研究明確地提出了二氧化碳可以用排水法來收集[4，5]，但缺乏具體的數據來說明用排水法來收集一定量的二氧化碳時二氧化碳在水中溶解的量或者說損失率。本研究將用壓強傳感器來監(jiān)測一定時間內二氧化碳在水中的溶解速率，再從二氧化碳的消耗率的角度來定量地說明用排水法收集二氧化碳的可行性。

2.1.1 基于壓強傳感技術驗證二氧化碳在水中的溶解速率

收集一集氣瓶二氧化碳氣體，加入約三分之一集氣瓶的水并立即蓋上附有傳感器的橡皮塞，在室溫（15℃）下通過壓強傳感器測定集氣瓶中壓強變化，由氣體壓強隨時間變化曲線計算二氧化碳在水中的溶解速率，具體過程如下：

（1）開始：數據采集器連接壓強傳感器，打開logger lite 1.5軟件，以時間為橫坐標，壓強為縱坐標，得到“壓強-時間”曲線。

（2）數據采集：氣體壓強緩慢減小，曲線基本保持水平，4分鐘后停止采樣，得到如圖2所示的“壓強-時間”曲線。

選取0～120秒數據做出擬合圖線方程Pres=mt+b（m代表斜率，b代表截距）：P=-0.003618t+103.0。由此可得前兩分鐘內二氧化碳在水中的平均溶解速率ν=0.007980÷8.314÷288×60=9.06×10-5 mol/（L·min）。而常溫常壓下用2mol/L鹽酸與大理石反應制取二氧化碳，前兩分鐘的平均速率在0.109 mol/（L·min）[6]左右。將這兩個數據相除可以得知，若用排水法收集二氧化碳氣體損失約為0.083%。

結論：通常情況下，二氧化碳氣體在水中的溶解速率很慢，遠遠小于二氧化碳的制取速率。因此可以用排水法收集，且收集到的氣體較排空氣法更純凈。

2.2 二氧化碳氣體與氫氧化鈉溶液反應的實驗探究

二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應沒有明顯的實驗現象，中學往往通過壓強變化證明反應確實發(fā)生了。通常的做法是在一個充滿二氧化碳的礦泉水瓶中加入適量的氫氧化鈉溶液，迅速蓋緊瓶蓋。振蕩溶液，發(fā)現瓶變癟由此得出二氧化碳能與氫氧化鈉反應，使瓶內壓強變小，此實驗成功的關鍵是要劇烈振蕩礦泉水瓶。再現高考題中二氧化碳與氫氧化鈉溶液的噴泉，也需振蕩否則溶液液面上升很慢，甚至停止不動。為何二氧化碳與氫氧化鈉的實驗需要振蕩呢？此外，經常會有學生提出疑問：礦泉水瓶變癟會不會是由于二氧化碳溶解在水中的緣故呢？為了解釋這些問題，筆者用壓強傳感器監(jiān)測一定時間內二氧化碳與氫氧化鈉在不振蕩和振蕩條件下的壓強變化，并與二氧化碳溶于水的壓強變化作比較。

2.2.1 基于壓強傳感技術驗證二氧化碳氣體與氫氧化鈉溶液的反應

用排水法收集較純凈的二氧化碳氣體于集氣瓶中，迅速加入20mL 2 mol/L的氫氧化鈉溶液立即蓋上附有傳感器的橡皮塞，在室溫（15℃）下通過壓強傳感器測定集氣瓶中壓強變化，具體步驟與二氧化碳在水中的溶解速率實驗相同。

采集前兩分鐘的數據，選取不同時段（0～54s、55～61s）數據分別做擬合圖線方程（1、2）：P1=-0.1695t+99.27；P2=-1.684t+181.1，得到如圖3所示的“壓強-時間”曲線。

計算與討論：0～54秒曲線斜率基本不變，ν1=4.25×10-3 mol/（L·min）；54秒后不斷振蕩集氣瓶，壓強急劇下降，55～61秒內ν2=4.22×10-2 mol/（L·min）；由于二氧化碳的消耗斜率逐漸減小。無論振蕩與否，二氧化碳在氫氧化鈉溶液中的溶解速率均大于其在相同條件下在水中的溶解速率9.06×10-5 mol/（L·min），說明二氧化碳在氫氧化鈉溶液中不僅僅是溶解，還發(fā)生了化學反應。

從圖中也可以明顯看出，在不振蕩的情況下二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應速率仍較慢，振蕩后反應速率顯著提高。這是由于二氧化碳是一種非極性分子，溶于水這種極性溶劑中的速率較慢，因此難以快速與氫氧化鈉發(fā)生反應。而振蕩可以增加二氧化碳這一氣相與溶液相的接觸，從而提高反應速率。

結論：二氧化碳與氫氧化鈉溶液混合后壓強變小不僅僅是溶于水所造成的，還發(fā)生了化學反應。在通常情況下，氫氧化鈉吸收二氧化碳的速率較慢，在振蕩的情況下可以快速反應。因此做好礦泉水瓶中二氧化碳氣體和氫氧化鈉溶液反應的實驗、二氧化碳氣體和氫氧化鈉溶液的噴泉實驗，振蕩是成功的關鍵。

2.3 二氧化碳氣體與碳酸鈉溶液反應的實驗探究

在二氧化碳與氫氧化鈉反應后的溶液中繼續(xù)通入二氧化碳仍能發(fā)生化學反應。為了證明產物碳酸鈉也能與二氧化碳反應，有些教師用飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳反應，試圖使碳酸氫鈉晶體析出，但實驗難以成功，一般解釋是二氧化碳氣體中有酸霧，但洗盡酸霧后也難成功。通過本研究中的兩個實驗可以知道通常情況下水和氫氧化鈉溶液對二氧化碳的吸收速率都很慢，更不用說飽和碳酸鈉溶液了，因此難以析出碳酸氫鈉晶體的關鍵原因也是反應速率慢。二氧化碳氣體大部分沒參與反應便從溶液中逸出，如要有晶體析出需生成較多的碳酸氫鈉并達到飽和狀態(tài)，因此很難在短時間內觀察到有晶體的析出[7]。用傳統(tǒng)的實驗手段也很難觀察到壓強的變化，而通過壓強傳感器就能在短時間內驗證這一反應的發(fā)生。

2.3.1 基于壓強傳感技術驗證二氧化碳氣體與飽和碳酸鈉溶液的反應

實驗步驟與二氧化碳在水中的溶解速率實驗相同，僅將水換成20mL飽和碳酸鈉溶液。

采集前兩分鐘數據，集氣瓶內壓強逐漸減小，一分鐘后不斷振蕩集氣瓶，曲線斜率增大，得到如圖4所示的“壓強-時間”曲線。

選取不同時段（0～60s、61～120s）數據分別做擬合圖線方程（1、2）：P1=-0.03206t+102.5；P2=-0.3667t+123.3。計算得到ν1=8.03×10-4 mol/（L·min），ν2= 9.19×10-3 mol/（L·min），均大于相同條件下二氧化碳在水中的溶解速率9.06×10-5 mol/（L·min），說明二氧化碳在碳酸鈉溶液中不僅僅是溶解，還發(fā)生了化學反應，振蕩可以提高反應速率。

結論：利用壓強傳感技術可以在較短的時間內觀察到二氧化碳與飽和碳酸鈉反應的壓強變化，證明二氧化碳確實能與碳酸鈉發(fā)生化學反應。

3 小結

數字化信息實驗最大的優(yōu)勢在于，化學反應雖然在短時間內完成了，但是學生在觀察到現象的同時得到了觀察不到的實驗數據。通過對這些數據的分析可以解釋很多傳統(tǒng)實驗無法解釋的問題，做到用數據說話，掃除學生理解上的障礙，同時也提高了對數據、圖像的分析能力。借助壓強傳感器的數字化實驗，基本能夠涵蓋大部分中學化學及物理學科中所涉及到的氣體的實驗，如催化劑對化學反應速率的影響、影響化學反應速率的因素、氣體摩爾體積的測定等。遺憾的是，由于選取傳感器種類單一所限，部分中學化學實驗尚不能用本裝置完成。如今，傳感技術在國內中學教育領域尚未普及，謹以此探索其應用的可能性與優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] Robert F. Tinker，Joseph S. Krajcik. Portable Technologies： Science Learning in Context [M]. New York： Kluwer Academic Plenum Publishers，2001.

[2]陸惠蓮. DIS數字化系統(tǒng)在高中化學實驗創(chuàng)新設計中的應用[J].中國現代教育裝備，2013，（16）：18～21.

[3]姚子鵬主編.九年義務教育課本·化學（九年級）（第一學期）[M].上海：上海教育出版社，2007：117.

[4]郁學梅.實驗室二氧化碳氣體的收集及檢測方法再研究[J].化學教學，2014，（7）：65～66.

[5]夏梅芳.基于數字化實驗的化學探究實驗教學案例[J].化學教學，2013，（3）：60～61.

[6]孫成林.用重量法測定大理石和鹽酸反應速率的實驗設計[J].化學教學，2013，（4）：58～59.

[7]伍強.飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳氣體反應實驗的研究[J].化學教學，2014，（11）：56～57.