手持技術在化學反應速率教學中的實踐*

葛 靜，于法鋒，湯希雁，劉志平**

(1.南寧市第十四中學，廣西 南寧 530021；2.南寧市第三中學，廣西 南寧 530021；3.南寧師范大學，廣西 南寧 530001)

手持技術，即在手上就可以完成操作的技術，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件等實驗技術系統(tǒng)組成。手持技術相關儀器可以定量收集和提取實驗數(shù)據(jù)，通過傳感器采集數(shù)據(jù)后，計算機進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲，并以圖形圖像方式呈現(xiàn)實驗的動態(tài)變化過程，體現(xiàn)了現(xiàn)代化技術與化學學科的充分融合[1]。手持技術能夠廣泛地應用于化學實驗中，主要表現(xiàn)為三個特點：改進傳統(tǒng)化學實驗、輔助傳統(tǒng)化學實驗和創(chuàng)新實驗。在化學實驗中采用手持技術可以充分利用它的優(yōu)點，展示實時的實驗數(shù)據(jù)，揭示反應動態(tài)變化過程，提高學生對化學核心知識的理解與認知。

1 手持技術融入課堂教學的重要性

1)化抽象為具體，增強實驗結果的直觀性

在化學課堂中使用手持技術輔助教學，能將抽象化的知識點進行形象化，增強實驗結果的直觀性，培養(yǎng)了廣大學生獨立地分析實踐問題和解決實際問題的能力，減少學生的學習障礙。

2)化被動為主動，促進探究活動的實踐性

在新課程改革形勢下，倡導教學活動開展多元化的實踐探究活動，而手持技術便于操作，為學生進行實驗探究提供強大的技術支持。小組內(nèi)可自行設計實踐方案，化被動學習為主動認知。

3)化記憶為理解，促進學生認知的理解性

手持技術能實時獲取實驗數(shù)據(jù)，行成動態(tài)的變化曲線，有利于學生認識化學反應的規(guī)律與實質(zhì)，增強和提高學生對化學知識的理解，避免傳統(tǒng)的灌輸性記憶式學習。

4)化傳統(tǒng)為現(xiàn)代，增強實驗裝置的科技性

手持技術通過簡單的傳感器實時獲取常規(guī)實驗難以收集的數(shù)據(jù)，不僅提高了化學實驗的趣味性，也增強了化學創(chuàng)造的科技感。

2 手持技術在化學反應速率教學中的案例實踐

溫度、壓強、催化劑等因素對化學反應速率的影響較為抽象，因此采用案例探究來驅(qū)動教學任務，通過方案設計、實驗探究、數(shù)據(jù)收集、分析歸納等環(huán)節(jié)來開展本節(jié)課的教學活動，有利于學生深入理解外界因素是如何影響化學反應速率的。

2.1 探究濃度對反應速率的影響

以硫代硫酸鈉與稀硫酸的反應為案例，控制相同濃度的稀硫酸與不同濃度的硫代硫酸鈉之間的反應，利用色度傳感器采集數(shù)據(jù)，觀察透光率隨時間的變化曲線圖[2]。

[實驗儀器]比色皿、色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器

[實驗藥品]Na2S2O3溶液 (0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L)、1.0 mol/L 稀硫酸，見表1。

表1 實驗藥品

[實驗內(nèi)容]用移液管根據(jù)表1的藥品比例向比色皿中加入先后加入 2 mL 濃度為 0.2 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.1 mol/L Na2S2O3溶液、2 mL 濃度為0.05 mol/L Na2S2O3溶液，連接好儀器，然后迅速倒入 1 mL 稀硫酸溶液，馬上放進色度傳感器，通過數(shù)據(jù)采集器記錄透光率隨時間變化的數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 透過率隨時間的變化曲線圖

[學生觀察與討論]圖1顯示出在單位時間內(nèi)硫代硫酸鈉的濃度越高，透過率越低，說明生成黃色的硫單質(zhì)的量越多，時間與透光率形成的曲線斜率就越大。當其它條件不變時，增加反應物的濃度，可以增大反應的速率。由此可以推出反應物的濃度越高，化學反應速率越快，也說明反應物濃度越大對化學反應速率的影響也越大。

[討論分析]增大反應物濃度，活化分子增多，反應速率加快。

[歸納總結]在其他外界條件下不變的情況下，活化的分子在各種反應物的分子中占有一定的百分比，當反應物濃度有所增加時，單位體積內(nèi)的活化分子濃度就會有所增加，單位體積內(nèi)的有效碰撞速率也就會隨之增加，化學反應速率也就會隨之加快。

2.2 探究壓強對反應速率的影響

以二氧化碳與水反應生成碳酸的可逆反應為案例，對比測量單位時間內(nèi)生成碳酸的快慢，解釋壓強對化學反應速率的影響。

[實驗儀器]電腦，數(shù)據(jù)采集器，二氧化碳傳感，pH值傳感器等。

[實驗藥品]二氧化碳氣體、蒸餾水

[實驗內(nèi)容]向裝有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶注入 20 mL CO2氣體，通過pH值傳感器采集pH值隨時間的變化。同樣，將 40 mL 二氧化碳注入含有 20 mL 蒸餾水的三頸燒瓶中，同樣記錄pH值度隨時間的變化(圖2)。

圖2 pH值隨時間變化曲線圖

[學生觀察并討論]通過觀察pH值隨時間的變化曲線可以知道，在單位時間(0～100 s)內(nèi)，注入 40 mL CO2氣體的pH值比注入 20 mL CO2氣體的pH值下降更快，說明注入 40 mL 二氧化碳與水生成的碳酸更多，也就是說增大體系的壓強可以加快化學反應速率。

[教師引導分析]請同學們試著分析對于有氣體參加的化學反應，增大氣體的體積會加快反應速率？同學們可以結合有效碰撞理論進行分析。

[討論分析]對于有氣體參加的反應，在其它條件不變的情況下，氣體的體積與其所受的壓強成正比。這意味著如果氣體壓力增加兩倍，體積會減少一半，單位體積內(nèi)的分子會增加兩倍，不同物質(zhì)的濃度會增加，有效碰撞的次數(shù)增加，化學反應的速度也會加快。

[歸納總結]在其他條件不變情況下，增大壓強，相當于增大單位體積的各組分的濃度，單位體積內(nèi)所含活化分子數(shù)目增多，有效碰撞地幾率也會增大，所以反應速率也就會增大。相反，壓強下降，氣體體積膨脹，氣體濃度下降，反應速度下降。所以增大壓強的實質(zhì)其實是通過增加氣體反應物的濃度來增加反應速率。

2.3 探究溫度對反應速率的影響

以H2O2分解釋放氧氣為案例，利用手持技術記錄在不同溫度下H2O2分解時動態(tài)測量氣體壓力隨時間的變化，精確實時的顯示出溫度對化學反應速率的影響的變化曲線。

[實驗準備]實驗儀器：氣壓傳感器、溫度計、數(shù)據(jù)采集器

[實驗藥品]30%H2O2

[實驗原理與設計]利用手持技術設計過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的實驗，控制其它條件不變的情況下，改變反應體系的溫度，通過氣壓傳感器測量產(chǎn)生氣體的壓強，觀察不同溫度下，化學反應速率的快慢。

[實驗步驟]將恒溫槽里的水溫調(diào)節(jié)控制在 20 ℃ 和 60 ℃，按照實驗裝置圖連接好裝置，用量筒量取2份 5 mL 30%的過氧化氫溶液倒入2支相同規(guī)格的試管中，分別采集同濃度不同溫度下溫度隨時間的變化量，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止采集(圖3)。

圖3 氣壓隨時間變化曲線圖(溫度)

[實驗數(shù)據(jù)記錄與分析]

[學生觀察與討論]圖3顯示出在 20 ℃ 下H2O2分解特別的緩慢幾乎不分解，在單位時間內(nèi) 60 ℃ 下H2O2分解比在 20 ℃ 下分解產(chǎn)生的O2更多，所以氣體壓力增大得更快，60 ℃ 下壓力與時間的曲線斜率比 20 ℃ 下壓力與時間的曲線斜率更大，說明溫度越高H2O2的分解產(chǎn)生的O2越多，化學反應速率越快。

[歸納總結]在其它條件不變的情況下，升高溫度，活性分子數(shù)量增加，活性分子百分比增加，有碰撞頻率增加，反應速度加快。

2.4 探究催化劑對反應速率的影響

以H2O2分解反應為案例，利用手持技術記錄在同一濃度的H2O2溶液下加入催化劑MnO2的氣壓隨時間的變化，精確實時的顯示出溫度和催化劑對化學反應速率的影響的變化曲線。

[實驗準備]實驗儀器：氣壓傳感器、溫度計、數(shù)據(jù)采集器

[實驗藥品]30%H2O2、MnO2

[提出問題]加入催化劑對化學反應速率的影響是加快還是減慢？

[實驗內(nèi)容]先用量筒量取2份 5 mL 30%的過氧化氫溶液倒入2支規(guī)格相同的試管中。先用氣壓傳感器采集沒有加入二氧化錳試管的數(shù)據(jù)，再采集加入二氧化錳試管的數(shù)據(jù)，對比兩個實驗的差異(圖4)。

圖4 氣壓隨時間變化曲線(催化劑)

[實驗數(shù)據(jù)記錄與分析]

[學生觀察與討論]圖4顯示出添加催化劑能加速H2O2分解，在單位時間(0～50 s)內(nèi)，向過氧化氫溶液添加催化劑產(chǎn)生的氧氣量比未添加催化劑時產(chǎn)生的氧氣量多得多，所以氣體壓力增加得更快，這表明在化學反應中加入催化劑會加快化學反應的速率。

[歸納總結]在其它條件不變的情況下，使用催化劑就會改變反應途徑，降低反應的活化能，增大活化分子的百分比，增加了有效碰撞的頻率，加快了化學速率。

3 實踐反思

采用手持技術作為一種強大科技化探究工具，具有便攜、直觀、靈活等特點，在教育現(xiàn)代化及數(shù)字化教學中具有積極作用。

運用手持技術使難以觀察到的實驗現(xiàn)象變得直觀化，也有可能將微小的實驗現(xiàn)象進行放大，把實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)給所有學生，使全體學生都能體驗通過實驗獲取化學知識的學習[3]。此外，手持技術能實時精準的反映動態(tài)變化，學生可以通過數(shù)據(jù)曲線明確一個化學反應的反應速率并不是均勻變化的，加深對速率圖像的理解。將手持技術廣泛應用于課堂和教學中的實踐，能夠充分激發(fā)和培養(yǎng)學生的自主學習興趣，同時提高學生在實踐中的操作技巧，對學生信息收集、獲取、加工等方面的綜合素養(yǎng)。