“測量鋅與硫酸反應速率”實驗裝置的創新設計

張盤斌 常國旗 徐立娟

一、實驗問題介紹

在人教版《化學(選修4)》化學反應原理中，有“測量鋅與硫酸反應速率”的實驗，實驗裝置如圖1所示，從裝置和原理來看十分簡單，實驗過程如圖2所示。

圖1 實驗裝置

圖2 實驗過程

但在教學過程中發現了如下的問題。

問題1：課本中指出該實驗的氫氣發生裝置是錐形瓶，收集裝置是注射器。因注射器活塞的移動存在阻力，而且錐形瓶的容積較大，因而生成的氣體較少時，氣體的壓力較小，無法推動活塞移動，生成的氣體就會被壓縮在錐形瓶中，使注射器中沒有讀數；但當生成的氣體較多，氣壓增大時，活塞就會跳躍移動，不便于讀數和計時，使讀出數據的誤差較大。

問題2：注射器前端針頭部位比活塞的面積小得多，當產生的氣體較少時，由于壓強作用在很小的面積上，根據物理學知識(F=P·S)，推力是比較小的，即活塞移動阻力大、推力小，在這種情況下，根據活塞位置讀出氣體的體積是很難實現的。由于活塞阻力等因素存在，使生成氣體的壓力與標準大氣壓不相等，氣體摩爾體積未知，無法將氣體體積轉化為物質的量，因而不能進一步計算消耗硫酸的量，也就無法計算出濃度變化和反應速率。

問題3：分液漏斗中的硫酸溶液滴進錐形瓶也會占據一定的體積，導致產生的氣體體積偏大，產生誤差；隨著反應的進行，錐形瓶中氣體壓力增大，硫酸將無法順利滴入錐形瓶，阻礙了反應的持續進行。

總之，以上這些在實驗過程中發現的問題說明課本中的測定鋅與稀硫酸反應速率的實驗在實際操作中是很難實現的，所以筆者結合前人對該實驗裝置的改進，進一步創新設計裝置以解決在實踐中發現的問題。

二、前人對本實驗的改進

改進方案1：如圖3所示，錐形瓶規格為100 mL，試管規格為10 mm×75 mm。去掉分液漏斗，改雙孔橡膠塞為單孔橡膠塞，用小試管盛放硫酸溶液。實驗時，在小試管上綁上細線將其放入錐形瓶中，蓋上單孔橡膠塞，然后傾斜錐形瓶使硫酸從試管流入錐形瓶(連接導管和注射器的是橡膠軟管，以8 cm左右為宜，便于傾斜錐形瓶)，使反應發生。

圖3 改進方案1的實驗裝置

改進方案2：(1)取2支20 mL的注射器，拔下活塞，向其中各放入1粒(約0.5 g)鋅粒，推進活塞至不能推動為止。(2)針頭分別吸入1 mol/L和4 mol/L的硫酸，并立即插入橡膠塞。(3)橫放注射器，在5 mL刻度處開始計時，活塞移至15 mL刻度線時停止計時，比較二者收集10 mL氫氣所用的時間。

改進方案3：改進裝置的實驗原理是通過鋅粒分別與2種不同濃度的硫酸反應生成10 mL氫氣所需要的時間長短判斷反應速率與物質的量濃度之間的關系。在實驗的過程中，通過分液漏斗向三口燒瓶中滴加適量不同濃度的硫酸，并通過右側的恒壓裝置將產生的氫氣收集，通過秒表記錄反應所需的時間，以此判斷影響化學反應速率的因素，改進后的裝置如圖4所示[1]。

圖4 改進方案3的實驗裝置

以上是筆者在文獻中查到的前人對該實驗的一些改進方法，每一個改進方案都解決了實驗過程中發現的部分問題。例如，第一個和第二個改進方案可以解決實驗過程中發現的第三個問題(見前文中問題3)，但注射器收集氣體時，活塞移動存在阻力問題沒有得到解決，氣體被壓縮，物質的量無法計算；活塞跳躍移動不便計時和讀數。第三個改進方案可以解決很多問題(見前文中的問題1和問題2)，弊端是液體滴入后占據體積，使收集到的氣體體積偏大，且裝置復雜，不易操作。筆者查閱和整理了前人的這些改進方案，在教學實踐中受到了啟示，重新設計測定裝置，解決了教學實踐中發現的問題。

三、筆者對本實驗的改進方案

1.實驗過程

(1)取1支堿性滴定管，在10 mL以下的部分再內套1根玻璃管(鋅在玻璃管上，當收集到10 mL氣體時反應自動停止)。

(2)去掉堿式滴定管下端的乳膠管和玻璃球，用一根長的乳膠管把堿式滴定管和1根長玻璃管連接起來，組成U形連通器，如圖5所示。

圖5 重新設計改進后的實驗裝置

(3)在堿式滴定管中加注1 mol/L的硫酸溶液50 mL，調節玻璃管的高度使堿式滴定管中的液面剛好達到0刻度線處。

(4)在堿式滴定管中加入2 g鋅粒，迅速塞上塞子，開始計時。隨著反應的進行滴定管液面下降，同時調節玻璃管使左右液面相平，直到滴定管液面下降至10 mL刻度線時(液面脫離鋅粒反應停止時停止計時)，液面脫離鋅粒時反應停止，計時結束。測出生成10 mL氫氣時所消耗的時間。

(5)將硫酸的濃度換為4 mol/L，重復(3)(4)的操作。測出生成10 mL的氫氣時所消耗的時間。

用改進后的裝置實驗時，現象明顯，讀數容易，氣體摩爾體積常溫常壓(25 ℃，101 kPa)為24.5 L/mol。進而計算反應速率。缺點是反應時間過長，要在1 mol/L的硫酸溶液中收集到10 mL氣體需要13.5 min，因此不能完成教學內容。經多次實踐發現，鋅不管是和多大濃度的硫酸反應都是先慢后快，原因除了反應放熱外，還與鋅表面的氧化膜有關。于是把大小相當的2顆鋅粒同時放在4 mol/L的硫酸溶液里，待反應產生氣泡的速率變快并趨于穩定時，取出鋅粒再去完成演示實驗。在1 mol/L的硫酸溶液里收集到10 mL氫氣需要4'24''，在4 mol/L的硫酸溶液里收集到10 mL氫氣時僅需要1'54''。由于實驗裝置簡單，在課堂演示時2組實驗同時進行，既可以進行對比，增強學生們感性認識，也縮短了實驗時間。

2.數據記錄及分析計算(見表1)

表1 數據記錄表

代入數據可以計算出：1 mol/L的硫酸溶液中的速率約為0.001 9 mol/(L·min)；4 mol/L的硫酸溶液中的反應速率約為0.004 3 mol/(L·min)。

3.改進實驗裝置的優點

(1)實驗裝置簡單易于操作，在實驗條件差的地區和學校均可以實現。

(2)解決了反應裝置太大，生成的氣體受壓縮而測不到生成氣體體積的問題，也保證了測出的氣體體積在正常大氣壓下，方便氣體摩爾體積的取值，計算氫氣的物質的量和消耗硫酸的物質的量，進而計算反應速率。

(3)消除了注射器活塞的摩擦阻力引起的誤差。

(4)消除了硫酸無法順利滴入和隨硫酸溶液的滴入占據體積引起誤差的問題。

(5)計時讀數方便準確，收集到10 mL氣體時，反應物自動分離，反應停止節點清楚，現象明顯。

(6)當計時結束后，反應會自動停止，不需要多余的操作，使實驗變得簡單易行，縮短演示實驗的時間，為完成課堂內容贏得時間。

四、結語

筆者對本實驗的改進思路已經在教學實踐中得到應用。結論表明，比課本中的實驗方案更容易操作，希望本文把該方法介紹給更多的教學同仁，讓他們在教學實踐中檢驗和完善。