利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的影響因素*
——以堿的濃度對(duì)其影響為例

沈小祥

（江蘇省如東高級(jí)中學(xué)江蘇如東226400）

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的影響因素*
——以堿的濃度對(duì)其影響為例

沈小祥

（江蘇省如東高級(jí)中學(xué)江蘇如東226400）

“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)中最佳容積選擇、反應(yīng)溫度、氫氧化鈉的用量等因素都會(huì)影響其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，該實(shí)驗(yàn)旨在利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，采用控制變量的方法研究不同濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)振蕩周期長(zhǎng)短的影響，讓學(xué)生更直觀地感受“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法。

“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn);數(shù)字化實(shí)驗(yàn);亞甲基藍(lán);振蕩周期

“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)在必修一學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)，對(duì)氧化還原的過(guò)程有一定的了解，而且他們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)原理這一本書(shū)中也已經(jīng)學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡及其影響因素，這為實(shí)驗(yàn)原理的理解和影響因素的實(shí)驗(yàn)探究打下良好的知識(shí)基礎(chǔ)；學(xué)生已經(jīng)初步了解到實(shí)驗(yàn)中的控制變量法，但還有待在實(shí)驗(yàn)中更好地體會(huì)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中以“藍(lán)瓶子”為關(guān)鍵詞搜索，共發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)16篇，但大多是關(guān)于藍(lán)瓶子反應(yīng)最佳條件探究、圍繞藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)拓展等方面，均是利用錐形瓶或試管完成的，且沒(méi)有找到一篇關(guān)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方面的相關(guān)研究[1］[2］。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在我國(guó)雖然已經(jīng)開(kāi)展多年，但是在像我們這樣的縣域中學(xué)才開(kāi)展不久，學(xué)生迫切想了解這一領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，本實(shí)驗(yàn)旨在利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完成采用控制變量的方法研究不同濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的影響，讓學(xué)生更直觀地感受“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，同時(shí)若開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也能提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，有助于后繼各種實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。

一、實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及用品

試管、量筒（3只）、兩套色度傳感器（含比色皿）、電腦、數(shù)據(jù)采集器、30mL針筒注射器針頭（2枚）、增氧泵（經(jīng)測(cè)算工作時(shí)每秒鼓出空氣約5mL）、0.2%的亞甲基藍(lán)溶液、0.5mol/L葡萄糖溶液、2mol/LNaOH溶液、8mol/LNaOH溶液。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示連接好相關(guān)儀器。

圖1

三、實(shí)驗(yàn)原理

亞甲基藍(lán)是一種氧化還原指示劑，其氧化型呈藍(lán)色，還原型呈無(wú)色。

氧化型（藍(lán)色）+ne-■■■■還原型（無(wú)色）

總反應(yīng)為

將葡萄糖的堿性溶液放在試管中，滴加亞甲基藍(lán)指示劑，溶液呈藍(lán)色；靜置一段時(shí)間，由于亞甲基藍(lán)被葡萄糖還原轉(zhuǎn)化為還原型，溶液褪色；振蕩后，溶液上方的氧氣進(jìn)入溶液，亞甲基藍(lán)又轉(zhuǎn)化為氧化型，溶液又呈藍(lán)色。在振蕩與靜置之間，溶液中的氧氣的量發(fā)生變化，溶液的顏色也隨之變化，直至溶液中的葡萄糖或瓶中的氧氣被耗盡。這種現(xiàn)象又稱為亞甲基藍(lán)的化學(xué)振蕩。由藍(lán)色出現(xiàn)至變成無(wú)色所需要的時(shí)間稱之為振蕩周期，振蕩周期的長(zhǎng)短受反應(yīng)條件如亞甲基藍(lán)溶液的最佳容積選擇、反應(yīng)溫度、氫氧化鈉的用量等因素的影響[3］。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)原理，不難發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉的濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大的影響，本實(shí)驗(yàn)旨在研究其他條件相同時(shí)，不同濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)振蕩周期的影響。研究方法是利用色度傳感器可以捕捉到透光率的下降的信號(hào)，描繪出曲線，從而更直觀地了解該反應(yīng)。

四、實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：用10mL量筒量取1mL濃度為2mol/L的NaOH溶液,用另一只10mL量筒量取1mL濃度為8mol/L的NaOH溶液，備用。接下來(lái)利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完成不同濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)的影響的實(shí)驗(yàn)探究。

①如圖1連接好電腦與色度傳感器，打開(kāi)SWRiLabV8.0信息化數(shù)字軟件，將30mL針筒注射針頭分別插入兩個(gè)色度傳感器并接上同一個(gè)增氧泵，新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹x擇紅色通道，若透光率不是100%，校準(zhǔn)色度傳感器，將空透明比色皿的透光率校準(zhǔn)設(shè)為100%，選擇測(cè)定時(shí)間10分鐘，間隔1s采集一個(gè)數(shù)據(jù)。等待開(kāi)始。

②向1號(hào)試管中加入10mL0.5mol/L葡萄糖溶液并滴入4滴0.2%亞甲基藍(lán)溶液，充分振蕩，將其中一半的溶液倒入2號(hào)試管中，向1號(hào)試管中加入1mL 2mol/L的NaOH溶液，振蕩后，快速向1號(hào)色度傳感器的比色皿中加入約2mL溶液，并放入色度傳感器內(nèi)，蓋上蓋子；將2號(hào)試管中加入1mL 8mol/L的NaOH溶液，振蕩后，快速向2號(hào)色度傳感器的比色皿中加入約2mL溶液，并放入色度傳感器內(nèi)，蓋上蓋子，點(diǎn)擊軟件上的開(kāi)始按鈕，采集數(shù)據(jù)觀察曲線。

③待兩條曲線透光率均上升到100%平穩(wěn)后，打開(kāi)增氧泵通入空氣30秒，可觀察到透光率曲線再次下降至平緩，停止通入空氣后曲線又上升至透光率為100%，此時(shí)再次打開(kāi)增氧泵通入空氣30秒，反復(fù)操作2-3次，觀察曲線。

④保存實(shí)驗(yàn)。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

圖2

圖2 為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，從兩條曲線中可以觀察到氫氧化鈉溶液濃度較大時(shí)，平均反應(yīng)速率更快（選定區(qū)域求導(dǎo)數(shù)，斜率更大），亞甲基藍(lán)的振蕩周期更短（使用軟件中的交叉參考線，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)短，加入1mL 8mol/L的NaOH溶液的振蕩周期約為24s，加入1mL 2mol/L的NaOH溶液的振蕩周期約為74s）。

六、創(chuàng)新之處及特色

采用兩個(gè)校準(zhǔn)后的色度傳感器同時(shí)測(cè)定不同氫氧化鈉溶液濃度條件下的振蕩周期，可以減少誤差；用增氧泵穩(wěn)定的氣流向比色皿中通入空氣替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上的振蕩，可保證通入的空氣量相當(dāng)，操作上更為嚴(yán)謹(jǐn)；從色度傳感器的圖像中可以選定某個(gè)區(qū)域進(jìn)行求導(dǎo)，能直觀地觀察平均反應(yīng)速率的快慢，通過(guò)使用交叉參考線可以計(jì)算和比較不同濃度的氫氧化鈉溶液條件下亞甲基藍(lán)變色的振蕩周期，避免了人工計(jì)時(shí)的麻煩和色覺(jué)誤差。本實(shí)驗(yàn)無(wú)論是作為課堂演示實(shí)驗(yàn)還是作為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn),都能讓學(xué)生更直觀地感受探究實(shí)驗(yàn)中的控制變量法，筆者認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究也完全符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念，能夠充分激發(fā)學(xué)生的興趣并培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究方法。

［1］張燕，韓金根.“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)拓展［J］.實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，2008（10）:93

［2］［3］熊言林，王闖.藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)最佳反應(yīng)條件的探究［J］.化學(xué)教學(xué)，2010（10）:16-17

1008-0546（2017）09-0069-03

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.023

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“教育信息化與高中化學(xué)教學(xué)深度融合的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：C-c/2016/02/30）階段性成果之一；江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十一期立項(xiàng)課題“基于提升學(xué)科理解的高中化學(xué)課例研究”（課題編號(hào)：2015JK11-L114）階段性成果之一。