基于手機(jī)光傳感器定量探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

汪阿戀 葉燕珠

（福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所，福建 福州 350025）

一、實(shí)驗(yàn)研究背景

“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”是高中階段的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，人教版高中化學(xué)新教材（2019 版）以硫代硫酸鈉和稀硫酸為反應(yīng)體系，定量探究濃度、溫度這兩個(gè)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。教材實(shí)驗(yàn)通過(guò)傳統(tǒng)的目測(cè)方法，記錄、比較出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象所需的時(shí)間來(lái)判斷反應(yīng)的快慢，但由于個(gè)體感官的感知差異性，判斷出現(xiàn)渾濁所用的時(shí)間存在一定偏差，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；诖耍醒芯空呃脗鞲屑夹g(shù)，例如濁度傳感器［1］、自制的簡(jiǎn)易光敏傳感器［2，3］，來(lái)定性定量探究濃度和溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定的數(shù)據(jù)和直觀的曲線來(lái)表征反應(yīng)過(guò)程，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性和結(jié)果的可信度。濁度傳感器需與數(shù)據(jù)采集器、電腦搭配使用，自制傳感器則存在加工改造繁瑣的問(wèn)題，降低了它們的實(shí)用性和便捷性，而現(xiàn)今廣泛使用的智能手機(jī)內(nèi)置壓力、光線、溫度等多種傳感器，結(jié)合相應(yīng)的APP，可以方便快捷地測(cè)量壓強(qiáng)、光強(qiáng)、溫度等多種物理量。目前已有學(xué)者利用手機(jī)光傳感器來(lái)改進(jìn)“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，比如盧雨辰［4］、柴紅梅［5］分別在不同的實(shí)驗(yàn)條件下探究濃度對(duì)高錳酸鉀和草酸反應(yīng)速率的影響，盧雨辰在實(shí)驗(yàn)中以Led 手電為光源，采用“科學(xué)日志”APP，而柴紅梅則以綠色Led 小燈珠為光源，利用phyphox 軟件記錄照度隨時(shí)間的變化曲線；韓怡［6］以“硫代硫酸鈉和稀硫酸的反應(yīng)”為反應(yīng)體系探究濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，并將研究成果應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐

分析基于手機(jī)光傳感器探究反應(yīng)速率的影響因素的已有研究，發(fā)現(xiàn)所使用的光源、手機(jī)APP、反應(yīng)體系、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面都存在異同，大多直接通過(guò)比較不同條件下獲得的光強(qiáng)-時(shí)間曲線，簡(jiǎn)單表述濃度或者溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，未給出濃度、溫度與時(shí)間的定量關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)在已有研究的基礎(chǔ)上，考察不同光源的穩(wěn)定性進(jìn)而選擇合適的光源，搭建簡(jiǎn)單的裝置減少環(huán)境光、操作動(dòng)作對(duì)照度測(cè)定的干擾，分別在不同濃度的硫代硫酸鈉溶液、不同溫度下，測(cè)定硫代硫酸鈉和稀硫酸反應(yīng)的照度-時(shí)間曲線，采用Excel軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得出硫代硫酸鈉溶液濃度-時(shí)間、反應(yīng)物溫度-時(shí)間的定量曲線，直觀而定量地表征反應(yīng)物濃度和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

二、實(shí)驗(yàn)原理

手機(jī)內(nèi)置的光傳感器能夠感知周圍環(huán)境光的變化，其核心部件是光敏電阻，是一種利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制成的對(duì)光線十分敏感的特殊電阻器。當(dāng)環(huán)境光聚焦并通過(guò)投光器傳送到光敏電阻上時(shí)，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而變化，從而得到光線強(qiáng)度的模擬信號(hào)，通過(guò)采集器的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)并保存下來(lái)，利用相應(yīng)的手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)照度的測(cè)量和記錄。

硫代硫酸鈉和稀硫酸的反應(yīng)如下：Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O，反應(yīng)生成難溶于水的硫單質(zhì)，導(dǎo)致溶液變渾濁，光線傳遞的減弱而使手機(jī)光傳感器APP 測(cè)定的照度值減小，因此可用照度-時(shí)間曲線來(lái)表征反應(yīng)的進(jìn)程，通過(guò)對(duì)比不同濃度溶液、不同溫度下反應(yīng)的變化曲線，分析所得數(shù)據(jù)，可定量研究濃度、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

三、實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：智能手機(jī)（華為P40 Pro，iPhone 8）、臺(tái)燈（Panasonic，HHLT0421）、Led手電筒（SHENYU，1012-20W）、移液槍（大龍，100～1000 μL，1～5 mL）、恒溫水浴鍋（鴻澤儀，HH-2）、電子天平（賽多利斯，BS124S）、燒杯（10 mL）。

實(shí)驗(yàn)試劑：硫代硫酸鈉（Na2S2O3）溶液（0.04 mol/L、0.05 mol/L、0.08 mol/L、0.10 mol/L、0.12 mol/L、0.16 mol/L、0.20 mol/L）、H2SO4溶液（0.05 mol/L、0.10 mol/L、0.50 mol/L）、蒸餾水、橡皮泥。

四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（一）手機(jī)App 的安裝和使用

在手機(jī)軟件應(yīng)用商店或者手機(jī)瀏覽器，查找Phyphox 軟件，下載并安裝。開(kāi)啟軟件，選擇“光”菜單可調(diào)用手機(jī)內(nèi)置光傳感器。記錄光強(qiáng)有圖表和簡(jiǎn)明值兩種模式，點(diǎn)擊操作界面右上角的白色三角形即可開(kāi)始測(cè)量光強(qiáng)并記錄，點(diǎn)擊右上角的“?”可以查看及運(yùn)用更多功能如查詢實(shí)驗(yàn)信息、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、分享屏幕截圖、定時(shí)運(yùn)行等。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置搭建

手機(jī)光傳感器靈敏度高，光源與手機(jī)的距離、手機(jī)與燒杯的相對(duì)位置、光環(huán)境的變化、近距離操作以及燒杯表面眩光等都可引起照度的波動(dòng)，因此通過(guò)搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置來(lái)固定設(shè)備以減少干擾。利用黑色橡皮泥在光線傳感器（位于手機(jī)聽(tīng)筒左側(cè)）上方拉出一個(gè)中空的圓筒用于放置燒杯，圓筒下端固定于臺(tái)面上，待橡皮泥固化后即可移動(dòng)燒杯和手機(jī)，測(cè)定時(shí)放入相應(yīng)的位置可保持兩者的相對(duì)位置不變。將光源置于燒杯的正上方，手電筒、提供光源的手機(jī)用鐵架臺(tái)、鐵夾固定住，放入待測(cè)樣品，測(cè)量過(guò)程中不可移動(dòng)設(shè)備。

（三）實(shí)驗(yàn)測(cè)定及數(shù)據(jù)處理

將10 mL 燒杯置于橡皮泥圓筒中，加入2 mL Na2S2O3溶液，運(yùn)行軟件，待環(huán)境光強(qiáng)基本穩(wěn)定后，點(diǎn)擊右上角的清除數(shù)據(jù)菜單，往燒杯中加入2 mL H2SO4溶液，再次運(yùn)行程序，記錄照度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，待照度逐漸下降至最低點(diǎn)且基本穩(wěn)定時(shí)，點(diǎn)擊右上角白色雙豎線暫停實(shí)驗(yàn)，再點(diǎn)擊白色“?”—“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”菜單以“Excel”的形式導(dǎo)出“時(shí)間-照度”數(shù)據(jù)，最后選擇“分享”采用微信、QQ 或者其他方式分享和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。將獲得的“Excel”格式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)打開(kāi)，以反應(yīng)時(shí)間為橫坐標(biāo)、照度為縱坐標(biāo)繪制“時(shí)間-照度”變化曲線，再根據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和計(jì)算。

五、結(jié)果與討論

（一）光源的選擇

手機(jī)光傳感器用于檢測(cè)環(huán)境的光強(qiáng)度，測(cè)量數(shù)據(jù)的精密度與光源的穩(wěn)定性密切相關(guān)。為得到理想的實(shí)驗(yàn)效果，分別對(duì)Led 手電筒、手機(jī)、日光燈及臺(tái)燈進(jìn)行光強(qiáng)度穩(wěn)定性測(cè)試，從而選擇合適的光源。在自然光下，分別在上述光源下，使用手機(jī)光傳感器測(cè)量光源的照度并記錄（測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為10 min），比較所得照度數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。以日光燈、iPhone 手機(jī)、Led 手電、臺(tái)燈為光源，記錄的10 min 照度數(shù)據(jù)的RSD分別為1.00%、0.63%、1.38%、0.22%，可以看出臺(tái)燈的光照穩(wěn)定性最強(qiáng)，手機(jī)光源次之，而使用Led 手電為光源測(cè)定過(guò)程中照度值不斷下降，穩(wěn)定性最差。另外，在不同光源下測(cè)定2 mL 0.10 mol/L Na2S2O3溶液與2 mL 0.10 mol/L H2SO4溶液反應(yīng)過(guò)程的照度變化曲線，如圖1 所示。從圖中可以看出，在不同光源照射下，隨著反應(yīng)溶液濁度的增加照度不斷下降而后趨于穩(wěn)定，還可觀察到反應(yīng)初期出現(xiàn)較大的照度波動(dòng)，可能是因加入H2SO4溶液與Na2S2O3溶液混合造成的，其中以采用手機(jī)光源和手電筒光源時(shí)照度波動(dòng)較大，證明其穩(wěn)定性較差，而以臺(tái)燈為光源時(shí)，初始測(cè)量時(shí)照度波動(dòng)最小，且在測(cè)量過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的照度突降（圖1 中用橢圓虛線標(biāo)出的位置），可通過(guò)比較出現(xiàn)突降的時(shí)間衡量化學(xué)反應(yīng)速率的快慢，故而在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇以臺(tái)燈作為光源。

圖1 不同光源條件下Na2S2O3 與H2SO4 反應(yīng)過(guò)程的照度-時(shí)間曲線

（二）Na2S2O3濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

按照實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，在H2SO4溶液濃度為0.50 mol/L 時(shí)，測(cè)試不同濃度的Na2S2O3溶液（0.04 mol/L、0.08 mol/L、0.12 mol/L、0.16 mol/L、0.20 mol/L）對(duì)反應(yīng)速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。圖2 A 為不同濃度Na2S2O3溶液下的Na2S2O3-H2SO4反應(yīng)過(guò)程的照度-時(shí)間變化曲線，可以看出，隨著Na2S2O3溶液濃度的增大，反應(yīng)過(guò)程中照度下降的速度越快，出現(xiàn)照度突降的時(shí)間（t突降）越短，證明反應(yīng)速率越快，采用t突降來(lái)表征反應(yīng)速率。將Na2S2O3溶液濃度與t突降進(jìn)行曲線擬合（圖2 B），發(fā)現(xiàn)曲線呈冪函數(shù)關(guān)系，曲線方程為y=2.5261x-1.142，擬合相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)1，說(shuō)明該方法可以準(zhǔn)確、定量體現(xiàn)濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，從擬合的曲線可直觀看出隨著Na2S2O3溶液濃度的增大，t突降逐漸減小，反應(yīng)速率加快。

圖2 不同Na2S2O3 溶液濃度下的照度-時(shí)間曲線（A）、Na2S2O3溶液濃度與t突降的定量曲線（B）

（三）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響

將0.05 mol/L Na2S2O3溶液和0.05 mol/L H2SO4溶液置于水浴鍋中進(jìn)行保溫。分別測(cè)定不同溫度下（30、40、50、60、70℃）的反應(yīng)溶液的照度-時(shí)間變化曲線，結(jié)果見(jiàn)圖3 A。從圖中可以看出，反應(yīng)物溫度越高，相同時(shí)間內(nèi)照度下降得越多，反應(yīng)速率越快。通過(guò)繪制反應(yīng)物溫度-t突降曲線圖（圖3 B），可以發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)良好的指數(shù)函數(shù)定量關(guān)系，曲線方程為y=254.72e-0.04x，相關(guān)系數(shù)R2=0.9993，從曲線中可明顯看出，隨著反應(yīng)物溫度的升高，t突降減小，反應(yīng)速率提高。

圖3 不同反應(yīng)物溫度下的照度-時(shí)間曲線（A）、反應(yīng)物溫度與t突降的定量曲線（B）

六、結(jié)語(yǔ)

手機(jī)光傳感器靈敏度高，移動(dòng)設(shè)備或近距離操作會(huì)使照度發(fā)生波動(dòng)，使用價(jià)廉易得的橡皮泥搭建簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)固定燒杯和手機(jī)，可有效減少干擾，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。以臺(tái)燈為光源，發(fā)現(xiàn)Na2S2O3溶液與稀硫酸反應(yīng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的照度突降，只要試樣在相同的光源條件下測(cè)定，在測(cè)量過(guò)程中不移動(dòng)設(shè)備，Na2S2O3溶液與稀硫酸的混合、測(cè)量過(guò)程中光源的輕微波動(dòng)，基本不會(huì)對(duì)t突降造成太大的影響，故巧妙地使用t突降來(lái)準(zhǔn)確表征反應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)定量測(cè)定。相較于已有的利用光線傳感器探究影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案中，首次得出反應(yīng)物濃度與時(shí)間、反應(yīng)物溫度與時(shí)間之間的定量關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)曲線可以清晰、直觀地呈現(xiàn)濃度和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)所用器材簡(jiǎn)單，操作便捷，可與投屏軟件相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)給學(xué)生，不僅加深學(xué)生對(duì)于濃度、溫度與化學(xué)反應(yīng)速率之間的定性關(guān)系的理解，還可通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的定量分析，發(fā)展學(xué)生的定量研究思維。