利用傳感器技術改善化學反應速率教學

吳蘊

摘 要 利用濁度傳感器和氧氣傳感器分別設計濃度對化學反應速率的影響和催化劑對化學反應速率影響的課堂教學實驗，有效改善課堂教學效果

關鍵詞 傳感技術；實驗；化學反應速率

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）17-0164-03

1 問題的提出

在蘇教版普通高中化學教材必修二專題二第一單元和選修模塊化學反應原理專題二第一單元中，化學反應速率是用單位時間濃度的減少或生成物濃度的增加來表示，對影響反應速率的因素的實驗教學卻較多限于定性比較，與定義比較脫節，而一些定量的實驗操作和實驗數據處理也比較復雜。同時教材對于化學反應速率中的平均速率和瞬時速率的描述也比較抽象，不利于學生的理解。筆者認為，在中學階段，學生對于化學反應速率的理解可以是定量的，測量和比較反應速率的方法不一定僅僅通過定性的觀察，也可以采用一些簡便易行的定量方法。

本文應用新型的傳感器技術對化學反應速率的測量方法進行一些嘗試，設計了幾個實驗，定量研究溶液的濃度和催化劑等因素對反應速率的影響，可以有效改善化學反應速率的教學。

2 實驗部分

濃度對化學反應速率的影響

1）儀器和藥品。儀器：燒杯（50 mL）2個、渾濁度傳感器（TRB-BTA）、數據采集器（VENIERLabPro）。藥品：Na2S2O3樣品，30% H2SO4。

2）實驗原理。硫代硫酸鈉遇到酸時會生成淡黃色的硫沉淀，使溶液變渾濁。傳統方法進行此實驗，通常是采用在相同規格的燒杯下放置一張畫有“×”字的白紙，通過肉眼觀察使此“×”字看不見的時間，比較不同濃度時的反應速率。這里采用渾濁度傳感器，測量不同濃度的硫代硫酸鈉與酸反應之后的渾濁度變化為反應速率的量度。

Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+ S↓+SO2↑+H2O

3）實驗步驟。分別稱取0.129 g和0.202 g的Na2S2O3樣品，加入40 mL水，制取濃度為0.020 mol/L和0.032 mol/L

的硫代硫酸鈉溶液，加入10 mL 10%的濃硫酸進行混合，迅速倒入測量瓶中，插入渾濁度傳感器測量兩者渾濁度變化。

4）實驗圖表及結果討論。圖1中橫坐標表示反應的時間，縱坐標表示渾濁度的變化，A線代表濃度為0.032 mol/L

的硫代硫酸納溶液，B線代表濃度為0.020 mol/L的硫代硫酸鈉溶液。圖中的邊框是對它們的統計分析，如最小值、最大值、平均值等。對兩者做線性化擬合，得到A線的反應速率為1.429 NTU/秒，B線的反應速率為0.729 NTU/秒（NTU是表示溶液濁度的單位，在這里的化學反應速率采用渾濁度為標準）。

由圖1可見，增大硫代硫酸鈉溶液濃度，提高了反應速率。而要研究硫酸的濃度對反應速率的影響，則保持硫代硫酸鈉溶液的濃度不變，改變硫酸的濃度。

但是在本次實驗中可以發現在前60 s時間中，不管濃度高還是低，基本都沒有任何反應，而濃度為0.033 mol/L

的反應在55 s時加快反應速率，而濃度低的在110 s左右時加快反應速率，因此，此時對整個反應進行線性化擬合得到的平均速率并不能準確地描述出它們的差異。這里認為瞬時速率更能體現由于濃度的差異而造成的反應速率上的差別。因此，可以采用對圖表求斜率的方法來得出某一點的瞬時速率，在實驗中點擊其中的“正切”按鈕，就可以得出它們的瞬時速率。圖2為選取60 s和100 s時反應的瞬時速率。

催化劑對反應速率的影響 這里選用二氧化錳催化過氧化氫的分解反應來探究催化劑對反應速率的影響。

1）儀器和藥品。儀器：250 mL錐形瓶2個，氧氣傳感器（O2-BTA），數據采集器（VENIER LabPro）。藥品：3% H2O2溶液20 mL，結晶MnO2 6 g。

2）實驗原理。二氧化錳催化過氧化氫，生成水和氧氣。在這里使用氧氣傳感器，跟蹤測量生成物——氧氣的含量。

2H2O2===2H2O+O2↑

3）實驗步驟。

①在三個錐形瓶上加注標簽1、2、3。在錐形瓶1里加入10 mL 0.5%的H2O2，在錐形瓶2里加入10 mL 0.5%的H2O2、0.05 g的MnO2，在錐形瓶3里加入10 mL 0.5%的H2O2、0.1 g的MnO2。

②將氧氣傳感器插入錐形瓶中，把數據采集器接到計算機的系列端口上，把氣體壓力傳感器接到LabPro的第一模擬通道，將傳感器放于桌上。

③運行LoggerPro軟件，LoggerPro自動識別傳感器，設置數據參數并顯示。

這里采集參數是每秒采樣一次并進行2000次采樣。程序在微機上將顯示一個坐標圖和一個數據表格。坐標圖的縱軸表示氧氣含量，橫軸表示0～2000 s的時間點。

④將0.05 g的MnO2倒入錐形瓶2中，0.1 g的MnO2倒入錐形瓶3中，迅速插入氧氣傳感器，進行采集。

4）實驗圖表及結果討論。圖3中橫坐標表示反應的時間，縱坐標表示氧氣含量的變化，C線代表MnO2的用量為0 g的錐形瓶1，B線代表MnO2的用量為0.05 g的錐形瓶2，A線代表MnO2的用量為0.1 g的錐形瓶3。圖中的邊框是對兩者做線性化擬合，得到C線的反應速率為0%/秒，B線的反應速率為0.01143%/秒，A線的反應速率為0.02791%/秒。（在這里的化學反應速率采用氧氣的產量為標準。）

由圖3可見，加入催化劑能夠明顯增加化學反應的速率，增大催化劑的用量，也會明顯加快反應速率。這是因為反應是在固體催化劑的表面進行，二氧化錳的用量加大時，表面積增大，溶液中的粒子與催化劑表面碰撞的機會增多，所以反應速率增大。

3 實驗反思

在本次實驗中采用比較先進的傳感器技術，在實際運用的過程中感覺到它有以下一些優點。

1）使得測量化學反應速率定量化。學生不僅可以在計算機上直接感受到產物的變化情況，而且在數據采集完成之后，直接采用工具欄上的相關工具對數據進行處理，得出化學反應速率。

2）定性的測量形式更加多樣化。傳統的測定化學反應速率對于有氣體生成的反應大多是通過觀察氣球的大小或者是用量筒排水法測量生成氣體的體積，對于其他的一些測定實驗，大都采用肉眼觀察的方法。而通過傳感器的測量，對于有氣體產生的化學反應，可以通過檢測放出氣體的速率來判斷反應進行得快慢；對于有顏色改變或者有有色沉淀物產生時，可以觀察它們的渾濁度的變化，也可以檢測體系透光率的變化，甚至利用相對應的特殊傳感器能夠檢測出具體特定產物的變化量。

3）有助于學生理解化學反應的平均速率和瞬時速率。學生不僅可以通過對得到的圖形進行線性化擬合得出化學反應的平均速率，也可以通過對曲線求斜率（工具中的“正切”按鈕）得出化學反應某一點的瞬時速率，更好地幫助學生理解兩者之間的差異和聯系。

同時在實驗的過程中也發現一些問題，比如有些傳感器在測量時還不夠穩定；在量程上受到限制，需要教師提前準備實驗并控制樣品量；在將傳感器插入時，之前有短暫的反應過程未能監測到，易造成實驗誤差；以及在氣體壓力、高溫等一些傳感器的使用上要注意學生的安全。

參考文獻

[1]全日制普通高級中學教科書（必修）：化學（第二冊）[M].南京：江蘇教育出版社，2006：28-29.

[2]陳瑞芝.對化學反應速率的實驗教學研究[J].化學教育，2007（8）：48-49.endprint