用色度傳感器測定化學反應速率的實驗教學

戴崇超

摘要：利用色度傳感器，測定酸性高錳酸鉀溶液與乙醛溶液反應過程中溶液的吸光度變化，并通過分析、比較各組實驗中反應物的物質(zhì)的量與物質(zhì)的量濃度和溶液吸光度變化之間的關系，讓學生學會選用合適的物理量表示化學反應速率，并在真實情境中掌握化學反應速率的計算。

關鍵詞：化學反應速率；色度傳感器；實驗探究

文章編號：10056629（2023）06005703中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1 研究背景

在化學反應速率的教學中，已有許多數(shù)字化實驗的改進和創(chuàng)新，讓學生不僅能通過宏觀實驗現(xiàn)象，也能通過數(shù)據(jù)和圖像曲線，多維度地感知化學反應的快慢、學習化學反應速率的相關概念以及影響化學反應速率的因素^{［1，2］}。

但在定量表示化學反應快慢時，為什么一般用單位時間內(nèi)反應物濃度的減少或生成物濃度的增加表示化學反應速率，而不用質(zhì)量或物質(zhì)的量的變化來表示化學反應速率是學生應該關注的問題；同時掌握化學反應速率的計算以及理解同一化學反應，用不同物質(zhì)表示的化學反應速率之間的關系也是教學的重點、難點之一。

本文通過對實驗曲線和數(shù)據(jù)的挖掘，幫助學生構建化學反應速率的概念，讓學生學會選取合適的物理量表示化學反應速率；通過讀取曲線中一段時間內(nèi)的反應物濃度變化的數(shù)據(jù)，讓學生在真實情景中掌握化學反應速率的計算，理解同一化學反應，用不同物質(zhì)表示的反應速率之間的關系^［3］。

2 實驗設計

2.1 實驗原理

使用色度傳感器測定不同濃度、不同體積的酸性高錳酸鉀溶液與乙醛溶液的反應，2MnO^-₄+5CH₃CHO+6H⁺→2Mn²⁺+5CH₃COOH+3H₂O，并測定反應過程中溶液吸光度的變化，利用朗伯比爾定律，將吸光度換算為c（MnO^-₄），并進行化學反應速率的計算。

2.2 實驗試劑和儀器

實驗儀器：色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、比色皿、5mL針筒

實驗試劑：

預先配制兩組KMnO₄與H₂SO₄的混合溶液：

第一組混合溶液中c（KMnO₄）=0.01mol/L，c（H₂SO₄）=1.0mol/L；

第二組混合溶液中c（KMnO₄）=0.015mol/L，c（H₂SO₄）=1.5mol/L；

兩組CH₃CHO溶液：

第一組c（CH₃CHO）=0.1mol/L；

第二組c（CH₃CHO）=0.15mol/L

2.3 實驗過程

2MnO^-₄+5CH₃CHO+6H⁺→2Mn²⁺+5CH₃COOH+3H₂O，反應過程中，溶液紫色逐漸變淺，利用色度傳感器，測定反應過程中溶液吸光度數(shù)據(jù)的變化，進行三組實驗。

實驗一：0.01mol/L KMnO₄和1.0mol/L H₂SO₄的混合溶液1.0mL與0.1mol/L乙醛溶液1.0mL

實驗二：0.01mol/L KMnO₄和1.0mol/L H₂SO₄的混合溶液1.5mL與0.1mol/L乙醛溶液1.5mL

實驗三：0.015mol/L KMnO₄和1.5mol/L H₂SO₄的混合溶液1.0mL與0.15mol/L乙醛溶液1.0mL

實驗時，先向比色皿中加入乙醛溶液，之后點開數(shù)據(jù)采集器，在經(jīng)過相同時間后，加入預先配制的KMnO₄與H₂SO₄的混合溶液，分別進行三組實驗，并通過色度傳感器測定溶液吸光度的變化，在移除由于實驗操作和溶液混合過程

中造成的吸光度數(shù)據(jù)擾動后，將三條曲線呈現(xiàn)于同一張圖，得圖1。

2.4 實驗設計方案說明

（1） 實驗一和實驗二為對照組，兩組實驗c_反應物相同，而n_反應物不同。

（2） 實驗二和實驗三為對照組，兩組實驗n_反應物相同，而c_反應物不同。

（3） 三組實驗混合后溶液總體積分別為2.0mL和3.0mL，因為如果取用的溶液體積過大，會導致溶液在注入比色皿的過程中無法充分混合；量取溶液體積過小，也會導致量取的相對誤差偏大。由于針筒每次量取體積時會存在少量的偏差，所以預先將高錳酸鉀和硫酸溶液混合，這樣每組實驗只要取用兩次溶液即可，既能減少課堂演示時的誤差，也能縮短課堂演示的時間，同時也能讓實驗一和實驗二的曲線吻合度更高，避免對學生學習造成過大的干擾。

3 實驗結果分析，數(shù)字化實驗素材的挖掘及其在教學過程中的應用

圖2是筆者在課堂實踐過程中設計的教學環(huán)節(jié)，上述數(shù)字化實驗可以貫穿運用于課堂環(huán)節(jié)2的教學過程。

以下是數(shù)字化實驗在教學過程中的具體應用。

3.1 使學生學會選擇哪種物理量的變化來表示化學反應速率

實驗得到的三條曲線，分別對應三組實驗。

實驗一與實驗二：反應物的濃度c_{（實驗一）}=c_{（實驗二）}；而反應物的物質(zhì)的量n_{（實驗一）}：n_{（實驗二）}=1∶1.5，學生通過觀察發(fā)現(xiàn)，反應過程中溶液吸光度變化基本相同，說明兩組實驗反應速率幾乎相同，即v_{（實驗一）}=v_{（實驗二）}。

實驗二與實驗三：反應物的濃度c_{（實驗二）}∶c_{（實驗三）}=1∶1.5；而反應物的物質(zhì)的量n_{（實驗二）}=n_{（實驗三）}，測定發(fā)現(xiàn)實驗三溶液吸光度起始點比較高，這是因為實驗三c（MnO^-₄）起始濃度較大，同時反應過程中實驗三溶液吸光度下降趨勢比較快，說明c（MnO^-₄）減小速率比實驗二快，說明實驗三化學反應速率較快，v_{（實驗二）}（_實驗三）。

由于課堂中學生需要分析的實驗數(shù)據(jù)較多，對學習可能會造成一定的困擾，可在學生討論后以表格的形式逐一呈現(xiàn)學生課堂討論的結果，幫助學生更清晰地理解和分析（如表1所示）。

學生通過分析上述三組實驗反應物的物質(zhì)的量和物質(zhì)的量濃度以及溶液吸光度曲線的變化關系后，很清晰地分析出選擇物質(zhì)的量濃度的變化來表示反應速率能夠更為準確地反映出化學反應的實際快慢，所以人們一般用反應物或生成物單位時間內(nèi)物質(zhì)的量濃度的變化來表示化學反應速率。

3.2 讓學生在真實情境中掌握化學反應速率的計算，理解以不同物質(zhì)表示同一化學反應速率之間的關系

選取實驗三，通過朗伯比爾定律，將溶液的吸光度數(shù)值換算為c（MnO^-₄）后，利用logger-pro軟件的檢查功能，教師選取曲線中合適的兩點數(shù)據(jù)（如圖3），學生將讀取的結果記錄于學習任務單（如表2）中以后，并計算這段時間內(nèi)v（MnO^-₄）；再利用化學方程式中化學計量比關系，計算這段時間內(nèi)△c（H⁺）和△c（CH₃COOH），進一步求算v（H⁺）和v（CH₃COOH）。在掌握化學反應速率計算的同時，理解同一化學反應，用不同物質(zhì)表示的反應速率之間的關系^{［4，5］}。

3.3 幫助學生理解瞬時反應速率和平均反應速率的區(qū)別

依然選取實驗三，曲線的橫坐標是時間，縱坐標是c（MnO^-₄），可以運用logger-pro軟件的求切線斜率的功能，對曲線求切線斜率，斜率的數(shù)值取正值即為該點時間的v（MnO^-₄）瞬時反應速率（圖4），通過展示曲線中30～50s（即計算平均化學反應速率時所取的時間段）內(nèi)不同點切線斜率的數(shù)值，讓學生理解瞬間反應速率和平均反應速率的區(qū)別。

4 結語

在化學反應速率的學習過程中，學生不太關注為什么一般用反應物或生成物物質(zhì)的量濃度的變化而不用物質(zhì)的量或質(zhì)量等其他物理量的變化表示化學反應速率。利用數(shù)字化傳感器通過分析不同濃度和不同物質(zhì)的量的硫酸與高錳酸鉀和乙醛溶液的化學反應，讓學生理解選用物質(zhì)的量濃度來表示反應速率的合理性，同時利用朗伯比爾定律，將傳統(tǒng)實驗中溶液顏色與微粒的濃度聯(lián)系在一起，讓學生在真實情境中掌握化學反應速率的計算。通過對數(shù)字化實驗所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)曲線進一步挖掘，既豐富了數(shù)字化實驗的教學功能，也使其在課堂中發(fā)揮了更好的教學效果。

參考文獻：

［1］馬善恒，王后雄. 國內(nèi)數(shù)字化實驗的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢——基于CiteSpace的可視化分析［J］. 化學教學，2021，（3）： 19～23.

［2］王曉芳，鹿鈺鋒，夏建華. 手持技術數(shù)字化實驗在我國近20年的研究進展及現(xiàn)狀——基于CiteSpace可視化分析化學教學［J］. 化學教學，2021，（4）： 32～34.

［3］余亮，曹鈺. 運用數(shù)字化實驗培養(yǎng)初中生的圖象分析能力——以“探究化學反應速率的影響因素”為例［J］. 實驗教學與儀器，2021，38（11）： 15～17.

［4］陸晨剛.DIS技術測定化學反應速率常數(shù)的深入探究［J］. 化學教學，2018，（5）： 71～73.

［5］吳有萍，馬娟娟，余新紅. 數(shù)字化實驗在探究化學反應速率影響因素中的應用［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2022，（24）： 33～35.