基于DIS進行“化學反應速率測定”多角度定量實驗研究

徐守兵

摘要：應用DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)，從多角度設計化學反應速率測定的定量實驗，應用不同傳感器實時采集數(shù)據(jù)，分別作出精準可信的定量分析曲線，從曲線斜率的角度測定化學反應的平均速率、瞬時速率，建立相對完整的化學反應速率概念體系。

關(guān)鍵詞：DIS;化學反應速率;曲線;定量

文章編號：1008-0546（2020）09-0068-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、問題的提出

化學反應速率是認識化學的重要基礎，對化學反應速率的調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學研究中均有重要作用。學生對化學反應速率概念的理解一般經(jīng)歷三個階段，即：感性認識（初三）→定性了解（高一）→定量了解（高二）。高二新課程選擇性必修課程《模塊1：化學反應原理》“主題2：化學反應的方向、限度和速率”要求學生知道化學反應速率的表示方法，了解測定化學反應速率的簡單方法。通過實驗探究，了解溫度、濃度、壓強和催化劑對化學反應速率的影響。為此，人教版教材在“第一節(jié)化學反應速率”中安排了下列探究實驗：

【實驗探究】

通過實驗測定并比較下列化學反應的速率：

（1）按圖1所示組裝實驗裝置。在錐形瓶內(nèi)放入2g鋅粒，通過分液漏斗加入40mL 1mol/L H2SO4溶液，測量并記錄收集10mL H2所用時間。

（2）如果用4mol/L H2SO4溶液代替1mol/L H2SO4溶液重復上述實驗，所用時間會增加還是減小，請通過實驗驗證，并解釋原因。將測定結(jié)果填入下表，計算并比較化學反應速率。

實驗的目的是為了定量測定和研究影響化學反應速率的因素。然而，學生們根據(jù)已有的化學反應速率的認知很容易推測實驗的結(jié)果，導致該實驗缺乏實質(zhì)的探究性，往往難以調(diào)動學生探究的積極性;另外，由于注射器一般存在不均衡的摩擦力，體積測定誤差有時也較大。因此，筆者在教學中引入DIS（“Digital Information System”的縮寫）實驗系統(tǒng)，設計富有探究性的化學反應速率測定實驗，應用傳感器實時采集數(shù)據(jù)，繪出精準可信的直觀圖形，然后充分利用數(shù)學、物理相關(guān)知識分析曲線的斜率，從而定量測出化學反應的平均速率和瞬時速率，增強了實驗的探究性，注重不同學科知識的融會貫通，培養(yǎng)學生精準的定量思維，加深對概念的理解，形成相對完整的化學反應速率概念體系。

二、定量實驗研究

化學反應速率是通過實驗測定的?；瘜W反應中發(fā)生變化的是體系中的化學物質(zhì)（包括反應物和生成物），所以與其中任何一種化學物質(zhì)的濃度（或質(zhì)量）相關(guān)的性質(zhì)在測量反應速率時都可以加以利用，包括釋放出氣體的體積、體系的壓強、顏色的深淺、導電能力、溶液的pH等。而這些物理量借助DIS實驗系統(tǒng)都可以實時、可視、定量的測定。為便于研究，將實驗改為測量碳酸鈣和不同濃度鹽酸反應的速率。

1.實驗儀器與藥品

實驗儀器：pH傳感器、壓力傳感器、CO2濃度傳感器及配套塑料瓶、滴數(shù)傳感器及配套塑料管、計算機、數(shù)據(jù)采集器、矮試管（10mL、2支）、錐形瓶（100mL、2只）等。

實驗藥品：碳酸鈣、不同濃度的鹽酸、飽和碳酸氫鈉溶液。

2.分組實驗方案及步驟

（1）方案1鹽酸濃度一時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（pH=2、4）反應的pH-t曲線，裝置見圖2。

①在兩支相同矮試管中分別加入0.5g碳酸鈣粉末，并同時分別加入5mL pH=2、5mL pH=4的鹽酸;②同時插入pH計;③采集數(shù)據(jù);④靜置，約60秒后停止數(shù)據(jù)采集，拆除傳感器，取出pH計，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與pH-t曲線圖，圖3。

（2）方案2 二氧化碳濃度一時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數(shù)據(jù)采集器、CO2濃度傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應的c（CO2）-t曲線，裝置見圖4。

①在兩只塑料瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時插入CO2濃度傳感器，并塞緊傳感器活塞，靜置;③采集數(shù)據(jù);④靜置，約60秒后停止數(shù)據(jù)采集，拆除傳感器，取出CO2濃度傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與c（CO2）-t曲線圖，圖5。

（3）方案3 氣體壓強-時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應的p-t曲線，裝置見圖6。

①在兩只相同錐形瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時插入壓力傳感器，并塞緊傳感器活塞，關(guān)閉導氣孔，靜置;③采集數(shù)據(jù);④靜置，約200秒后停止數(shù)據(jù)采集，打開導氣孔，拔出活塞，取出壓力傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與p-t曲線圖，圖7。

（4）方案4 氣體體積-時間圖的測定

1）組裝儀器：將計算機、數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定0.5mol/L鹽酸與碳酸鈣反應的V-t曲線，裝置見圖8。

①在錐形瓶中加入適量塊狀碳酸鈣，并將裝有10mL 0.5mol/L鹽酸的矮試管小心放入錐形瓶中;②在豎直雙通管中加滿飽和NaHCO3溶液，并塞緊錐形瓶上的活塞，打開滴管下方的開關(guān)，至無液體滴下;③將錐形瓶傾斜，使試管中鹽酸倒入瓶中，同時打開滴數(shù)傳感器，采集數(shù)據(jù);④待豎直管中液體快滴完時停止數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉滴管的開關(guān);⑤整理數(shù)據(jù)與V-t曲線圖，圖9。

3.數(shù)據(jù)處理與分析

（1）依據(jù)反應速率概念，進行實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

化學反應速率一般用單位時間內(nèi)反應物或生成物的濃度變化來表示，為便于交流，測量化學反應速率時，需要將上述pH、壓強、氣體體積等體系性質(zhì)隨時間的變化曲線換算為鹽酸濃度隨時間的變化曲線。而這些不難通過Logger Pro 3.8.6軟件數(shù)據(jù)處理目錄中的新計算欄函數(shù)設置進行換算，如將pH換算為c（H+）時輸入“10”（-“pH”）”表達式，即可將圖3鹽酸與碳酸鈣反應的pH-t曲線圖轉(zhuǎn)換為圖10鹽酸與碳酸鈣反應的c（H+）-t曲線圖。

（2）融合相關(guān)理科知識，分析圖像化學含義

在分析化學問題時，常會運用反映相關(guān)量變化關(guān)系的圖像。在結(jié)合化學反應原理定性、定量分析圖像時，既要充分彰顯化學學科特點，又要充分應用數(shù)學、物理等相鄰理科的已有知識進行全面多樣化的分析，充分體現(xiàn)科學知識獲得的嚴謹性、科學知識應用的融合性。從c（H+）-t曲線圖上測定用c（H+）變化表示的反應速率，在時段△t內(nèi)計算出濃度差與時段的商△c/△t得到這一時段的平均速率v，它相當于濃度-時間曲線圖上對應時段割線的斜率。當所選用的時段越來越短，最后割線就變成切線，切線的斜率即瞬時速率，相當于△t趨近0時平均速率的極限值，圖11。

（3）發(fā)揮軟件計算功能，測定化學反應速率

Logger Pro 3.8.6軟件帶有良好的數(shù)據(jù)處理功能，且有友好的操作界面，只需在c（H+）-t曲線圖上選取需要的時間段，如4s-12s，然后選擇“statistics”，曲線圖上會顯示系列數(shù)據(jù)供選擇使用，如起始、終止時刻c（H+）及△c（H+）等。讀取pH=2的鹽酸此時段內(nèi)△c（H+） =0.00163mol/L，pH=4的鹽酸此時段內(nèi)△c（H+） =4.83×10-5mol/L?？梢苑謩e求算出不同濃度的鹽酸與碳酸鈣反應的割線斜率，即此時段的平均反應速率，圖12。

從曲線圖上測定瞬時速率更加方便，只要選擇切線圖標“tangent”，然后將鼠標放到某時刻，如放在Os時刻，曲線圖上自動同時顯示兩條曲線此時刻的斜率：“c2（H+）Slope：-0.00315： cl（H+）Slope： -5.02E-005”，表示pH=2、4的鹽酸與碳酸鈣粉末反應的起始反應速率分別為0.00315mol/（L·s）、5.02×10-5mol/（L·s），圖130

又如，將鼠標放在8s時刻，可以測定此時的瞬時反應速率分別為0.000194mol/（L·s）、5.897×10-6mol/（L·s），圖14。

三、數(shù)學化實驗研究啟示

基于DIS進行的“化學反應速率測定”多角度定量實驗研究，對于中學化學實驗及其教學具有一定的啟示意義。

1.有助于提高定量測定實驗的精度

化學的特征是從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)。這樣的學科特征決定化學在注重學科經(jīng)典的同時，始終要堅持與時俱進，不斷與新科技、新發(fā)現(xiàn)相結(jié)合。這就要求我們要不斷學習科學技術(shù)新成果，及時更新教學內(nèi)容和優(yōu)化教學方法。當今是數(shù)字化時代，DIS是將計算機和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型實驗手段，除具有便攜、直觀、實時等特點外，精準的實驗數(shù)據(jù)采集和強大的數(shù)據(jù)處理能力使其做出的定量分析結(jié)果更科學、可信，有助于提高許多中學定量測定實驗的精度，如反應熱的測定、滴定分析等。

2.有助于提高學生的實驗探究能力

利用DIS對一些實驗效果不佳的傳統(tǒng)化學實驗進行改進，在實驗設計階段，要根據(jù)實驗目的和化學反應的特點選擇合適的傳感器，例如，化學反應速率的測定，有的反應可以選擇傳感器能直接測量的性質(zhì)，如c（CO2）、pH、色度等，有的反應則需要將體系的相關(guān)性質(zhì)進行轉(zhuǎn)換，如根據(jù)電導率的變化測定乙酸乙酯水解反應的速率等。在實驗準備階段，要結(jié)合傳感器的量程和使用特點，優(yōu)化反應的條件、調(diào)節(jié)試劑的濃度和體積、設計組裝與傳感器配套的輔助實驗裝置等。如本課題研究方案1中，pH傳感器的量程決定了只能使用很稀的鹽酸;方案2、方案3中，壓力傳感器、CO2氣體濃度傳感器要求形成固定體積的密封反應體系，必須注意實驗的安全;方案4，巧妙地利用液體滴數(shù)傳感器來測定反應生成氣體的體積，實驗裝置的設計具有科學探究的創(chuàng)新意識，實驗開始前將一個裝有鹽酸的矮試管放入已有碳酸鈣的錐形瓶，保證了實驗過程中體系的密封性;用一個裝有飽和碳酸氫鈉溶液的豎直雙通管代替教材中的注射器，化解了器壁摩擦力對實驗精度的影響，選用飽和碳酸氫鈉溶液代替水防止了因CO2溶解對實驗精度的影響;利用滴數(shù)傳感器精準記錄反應時滴下液體的滴數(shù)，結(jié)合相應校準實驗獲得每滴液體的體積（0.04mL），將反應產(chǎn)生氣體的體積轉(zhuǎn)化為流出液體的滴數(shù)，再通過數(shù)據(jù)采集器還原為氣體體積。整個探究過程中，實驗方案的設計、實驗參數(shù)的設置、數(shù)據(jù)的采集、實驗現(xiàn)象的觀察和記錄、使用軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析、對實驗曲線進行解釋、撰寫實驗報告等等，整個小組同學相互合作，從實驗問題出發(fā)，依據(jù)探究目的，設計探究方案，運用數(shù)字化實驗進行實驗探究，促進了學生實驗探究能力的發(fā)展。

3.有助于深化對化學反應原理的理解

結(jié)合本研究展開的化學反應速率的教學，從感性認識到定性描述，再到平均反應速率、瞬時反應速率的定量表述，體現(xiàn)出化學知識有一定的理論高度，也為將來學習速率方程打下一定的學科基礎。運用割線或切線的斜率進行化學反應速率的概念教學，一方面可以加深學生對化學反應速率的理解，同時還注重數(shù)學、物理等已有相關(guān)知識的融合，有助于學生能從多角度、動態(tài)地分析化學變化，形成并發(fā)展變量控制的實驗思想，深化對化學反應原理的理解。

4.數(shù)字化實驗的教學研究已然在路上

結(jié)合本研究，在施教的2個班109名同學中做了一次無記名問卷調(diào)查，調(diào)查表明，我校目前主要在物理、化學、生物課程中使用了數(shù)字化教學儀器;82%的同學認為使用數(shù)字化實驗進行學習的方式（可多選）是教師課堂演示，85%的同學認為進行了學生分組實驗，15%的同學在課外興趣小組或研究性課題研究中使用過數(shù)字化實驗儀器;78%的同學愿意進行數(shù)字化實驗探究學習;51%的同學愿意使用數(shù)字化實驗探究學習的理由（可多選）為可以加深對知識的理解，77%的同學認為數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)處理更簡便;44%的同學認為數(shù)字化實驗探究學習真正符合探究式學習要求，49%的同學認為基本符合;55%的同學認為數(shù)字化實驗不完全符合探究式學習要求的主要原因是時間不夠，18%的同學認為是儀器操作不便;67%的同學認為課任老師對數(shù)字化實驗探究教學很熱心，愿意開展教學活動，32%的同學認為老師積極性很一般，只在公開課教學時展示一下;72%的同學認為數(shù)字化實驗探究學習課程應該常態(tài)化，和常規(guī)實驗一樣，20%的同學認為應該在課外興趣小組學習中開展。數(shù)字化實驗的教學研究已然在路上，讓我們與時俱進吧。