Excel在《化學反應原理》教學中的應用

吳志惠

Excel在《化學反應原理》教學中的應用

吳志惠

（江蘇省橫林高級中學江蘇常州213101）

文章介紹了Excel軟件的一些功能在《化學反應原理》實際教學中應用。

Excel；圖表；IF嵌套函數；單變量求解；VBA；化學平衡；酸堿中和滴定

《化學反應原理》比較系統地介紹化學反應的基本原理和規律,知識內容復雜抽象,歷來是高中化學教學中的難點。如果在教學中將抽象的內容形象化、真實化,必然有助學生的理解。Excel具有強大的計算功能及形象的圖表功能,通過Excel的各種功能的組合,將幫助學生突破難點,深刻領悟抽象的反應原理,同時,還能培養學生的數據處理能力。

一、圖表功能初步運用

在“化學反應速率的表示方法”這一節中(取自于江蘇教育出版社出版的《化學反應原理》),要求學生繪制H2O2分解反應濃度-時間曲線,并計算任意一個10min間隔中平均每分鐘H2O2的物質的量濃度的改變值。利用Excel的圖表功能,能精確、快速實現這一任務。

在A1：F2區域內輸入數據：(表1),將鼠標停留在數據區域,點擊“插入-圖表”,

表1

圖1

出現“圖表向導-4步驟之1-圖表類型”(見圖1),在選項卡“標準類型”中選擇“XY散點圖”,“子圖表類型”選擇“平滑線散點圖”,點擊“下一步”,出現“圖表向導-4步驟之2-圖表源數據”,再點擊“下一步”,出現“圖表向導-4步驟之3圖表選項”(見圖2),點擊選項卡“標題”中的“圖表標題”中輸入“H2O2分解反應濃度-時間曲線”,“數值(X)軸”輸入“t/min”,“數值(Y)軸”輸入“c(H2O2)/mol/ L”,點擊選項卡“網格線”中“數值(X)軸”與“數值(Y)軸”均勾選“次要網格線”,選項卡“圖例”把“顯示圖例”的勾去掉。點擊完成就得到H2O2分解反應的濃度-時間曲線圖(見圖3)。

選中X軸的網格線,右鍵點擊后出現“網格線格式”,修改“刻度”中“次要刻度單位”為“10”,同樣方法,修改Y軸網格線的“主要刻度單位”為“0.1”“次要刻度單位”為“0.01”,“圖案”-“線條”-“顏色”選為“紅色”,并拉大圖像,可以清晰、快捷地完成教材中規定的“以10min為時間間隔,計算任意一個10min間隔中平均每分鐘H2O2的物質的量濃度的改變值”任務。

右鍵點擊曲線,選擇“添加趨勢線”,選項卡“類型”中選擇“指數”,選項卡“選項”,勾選“顯示R平方值”,“趨勢預測”中“前推20個單位”,確定后曲線自動延伸至100min中,在圖上出現“R2=1”,表明吻合度最高。利用這種方法,可以預測100min中H2O2的濃度。

圖2

圖3

二、IF嵌套函數與圖表功能的結合運用

酸堿滴定曲線的繪制,可以采用pH傳感器、數據采集器和電腦,利用相應的軟件就能實現快速便捷繪制。這種方法的缺點是裝備投入較大,用excel同樣可以實現數據的快速處理及曲線的繪制。

在表格中輸入如下數據：

由于氫離子濃度的計算方法與溶液的酸堿性有關,當溶液顯酸性時溶液顯中性時為c(H+)=1×107,溶液顯堿性時為c(H+)=KW因此必須用IF嵌套函數解決這個問題,在E2單元格中輸入“=IF((A￥2*B￥2=C￥2* D2),10?-7,(IF((A￥2*B￥2＞C￥2*D2),(A￥2*B￥2-C￥2 *D2)/(B￥2+D2),10?-14*(B￥2+D2)/(C￥2*D2-A￥2 *B￥2))))”,pH=-log(c(H+)),在F2單元格中輸入“=-LOG(E2)”。在D3單元格中輸入2.00,選中D2、D3單元格,鼠標放在單元格D3的右下角,會出現黑十字(填充柄),往下拖動,可以以等差數列的方式實現自動填充其他數據,直到40.00。由于溶液接近中性時,體積細微的變化會引起pH較大的變化,因此,在D20單元格下插入8行,在D21單元格內輸入“19.20”,使每次的體積變化為“0.02mL”,用填充柄自動填充其他數據。選中單元格E2、F2,用填充柄自動填充公式,就能得到氫離子濃度及對應的pH。

按住“Ctrl”鍵不放松,選擇氫氧化鈉溶液的體積與pH這兩組數據(不要多選),點擊“插入-圖表”,在選項卡“標準類型”中選擇“XY散點圖”,“子圖表類型”選擇“平滑線散點圖”,就能得到滴定曲線。通過這種方法,可以使學生直觀地觀察到滴定曲線的突變。

只需改變單元格A2、B2、C2(即鹽酸的濃度、體積或者氫氧化鈉的濃度),pH能實時改變,能方便地觀察曲線的變化過程,從而理解為什么氫氧化鈉的濃度與鹽酸濃度要相近的原因。

表2

三、單變量求解功能的應用

化學平衡的移動是高中教學的重點與難點,由于概念抽象,學生不易理解接受。如果把抽象的推導過程用數據展現給學生,將幫助學生容易突破難點。但是,絕大多數的化學平衡的計算是高次方程,不易求解,如果引入Excel單變量求解功能,將解決這一棘手問題。

下面以2SO2+O2?2SO3這一化學平衡為例來說明如何運用這一功能：

恒溫恒容條件下,容器體積為1L,假設SO2、O2與SO3的初始投料分別為1mol、1mol、0mol,平衡常數K= 20,建立如下表格(見表3)。

表3

SO2結束時濃度為“初始濃度-變化濃度”,在B3單元格中輸入“=B2-B3”。O2的變化濃度是SO2的一半,C3單元格中輸入“=B3/2”,C4單元格中輸入“=C2-C3”。SO3的變化濃度與SO2的相同,D3單元格中輸入“=B3”,D4單元格中輸入“=D2+D3”。平衡常數,在 E2單元格中輸入公式“=D4?2/B4?2/C4”。點擊“工具-單變量求解”,在“目標單元格”中選擇“E2”單元格,目標值20(即平衡常數K= 20),“可變單元格”中選擇“B3”單元格(即變量),見圖4。點擊確定后,出現數據(見表4)。

圖4

表4

點擊“工具-選項-重新計算-迭代計算”中,更改“最多迭代次數”為“10000”,“最大誤差”為“0.0000001”,并勾選該項,重新進行單變量求解,可得更精確的數據,見表5。

表5

在B5單元格中輸入“=B3/B2”,C5單元格中輸入“= C3/C2”,即可得反應物的轉化率。

復制該表格,粘貼在A7、A13單元格,即可得兩張相同的表,將其中一張表中的SO2的初始濃度改為2,其他不變,另一張表中O2的初始濃度改為2,其他不變,都重新用單變量求解進行運算,得新數據,見表6與表7。

表6

表7

對比表5、表6、表7的數據,可以很容易得出結論：恒溫恒容條件下,對于可逆反應“A+B?C”,如果增加反應物A的物質的量,平衡向正方向進行,A的轉化率下降,B的轉化率升高。

可逆反應2NO2?N2O4是一種特殊類型的反應,只有二種物質,該平衡體系涉及一些問題學生難以理解。運用單變量求解功能,可以得以下四張表(注：除表9外,均為恒溫恒容條件下,表9是對表8的容器進行恒溫壓縮)。

表8

表9

表10

表11

對比表8與表11,可以得出結論：增加NO2的投料,平衡向正方向移動,NO2的轉化率提高,NO2百分含量下降;對比表4與表10,可以得出結論：增加N2O4的投料,平衡向逆方向進行,NO2的轉化率降低,NO2百分含量下降;表10與表11是等效平衡,平衡時NO2的百分含量相同,但由于投料方式不同,NO2的轉化率不同。

比較表8與表9的數據,表9相當于對表8的體系到達平衡后,使表8的容器體積變為原來的一半,可以得出結論：開始時顏色加深,隨著平衡的正向移動,顏色逐漸變淺,到達新平衡后,顏色仍比上次平衡時深。

通過這些直觀數據比較得出的結論,然后引導學生定性分析這些結論的原因。

四、單變量求解、VBA、函數及圖表的綜合運用

如果要繪制強堿滴定弱酸的pH變化曲線,pH值的計算常用的方法是用近似法,利用單變量求解可以求出相對更精確的值。但是單變量求解的缺點是每次只能求出一個pH值,如果要每次計算,就會十分繁瑣,可以編寫簡單的VBA來解決這個問題。

比如,用0.10mol·L-1的NaOH溶液來滴定20mL 0.10mol·L-1的醋酸溶液,建立如下初始表格,見表12。

表12

V(總)=V(HAc)+V(NaOH),在B7單元格中輸入“=B￥3+A7”,反應后的c(HAc)=(n(HAc)初始-n(NaOH))/V(總),在C7單元格輸入“=(A￥3*B￥3-C￥3*A7)/ B7”;c(NaAc)=n(NaOH)/V(總),在D7單元格輸入“=C￥3*A7/ B7”;假定H+濃度為0.000001 mol·L-1,

在E7單元格輸入“0.000001”,在F7單元格輸入“=E7*(D7+E7-10?-14/E7)/(C7-E7+10?-14/E7)”;在堿沒有過量前,pH的計算直接用H+的濃度計算,當堿過量后,直接用堿的濃度計算,pH=14-pOH,在G7單元格輸入“=IF(C7＞=0,-LOG(E7),14+LOG(-C7))”。在A8單元格中輸入“2.00”,選中A7、A8兩個單元格,用填充柄填充至40,利用填充柄填充B至G列的第7行以下的單元格的函數或數值。

點擊“工具-宏-Visual Basic編輯器”,“插入-模塊”,在代碼窗口中輸入下列代碼：

End Sub

1008-0546（2013）05-095-03

：G632.41

：B

10.3969/j.issn.1008-0546.2013.05.044