基于DIS進行“化學反應速率測定”多角度定量實驗研究

徐守兵

摘要：應用DIS數字實驗系統，從多角度設計化學反應速率測定的定量實驗，應用不同傳感器實時采集數據，分別作出精準可信的定量分析曲線，從曲線斜率的角度測定化學反應的平均速率、瞬時速率，建立相對完整的化學反應速率概念體系。

關鍵詞：DIS;化學反應速率;曲線;定量

文章編號：1008-0546（2020）09-0068-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、問題的提出

化學反應速率是認識化學的重要基礎，對化學反應速率的調控在生產、生活和科學研究中均有重要作用。學生對化學反應速率概念的理解一般經歷三個階段，即：感性認識（初三）→定性了解（高一）→定量了解（高二）。高二新課程選擇性必修課程《模塊1：化學反應原理》“主題2：化學反應的方向、限度和速率”要求學生知道化學反應速率的表示方法，了解測定化學反應速率的簡單方法。通過實驗探究，了解溫度、濃度、壓強和催化劑對化學反應速率的影響。為此，人教版教材在“第一節化學反應速率”中安排了下列探究實驗：

【實驗探究】

通過實驗測定并比較下列化學反應的速率：

（1）按圖1所示組裝實驗裝置。在錐形瓶內放入2g鋅粒，通過分液漏斗加入40mL 1mol/L H2SO4溶液，測量并記錄收集10mL H2所用時間。

（2）如果用4mol/L H2SO4溶液代替1mol/L H2SO4溶液重復上述實驗，所用時間會增加還是減小，請通過實驗驗證，并解釋原因。將測定結果填入下表，計算并比較化學反應速率。

實驗的目的是為了定量測定和研究影響化學反應速率的因素。然而，學生們根據已有的化學反應速率的認知很容易推測實驗的結果，導致該實驗缺乏實質的探究性，往往難以調動學生探究的積極性;另外，由于注射器一般存在不均衡的摩擦力，體積測定誤差有時也較大。因此，筆者在教學中引入DIS（“Digital Information System”的縮寫）實驗系統，設計富有探究性的化學反應速率測定實驗，應用傳感器實時采集數據，繪出精準可信的直觀圖形，然后充分利用數學、物理相關知識分析曲線的斜率，從而定量測出化學反應的平均速率和瞬時速率，增強了實驗的探究性，注重不同學科知識的融會貫通，培養學生精準的定量思維，加深對概念的理解，形成相對完整的化學反應速率概念體系。

二、定量實驗研究

化學反應速率是通過實驗測定的。化學反應中發生變化的是體系中的化學物質（包括反應物和生成物），所以與其中任何一種化學物質的濃度（或質量）相關的性質在測量反應速率時都可以加以利用，包括釋放出氣體的體積、體系的壓強、顏色的深淺、導電能力、溶液的pH等。而這些物理量借助DIS實驗系統都可以實時、可視、定量的測定。為便于研究，將實驗改為測量碳酸鈣和不同濃度鹽酸反應的速率。

1.實驗儀器與藥品

實驗儀器：pH傳感器、壓力傳感器、CO2濃度傳感器及配套塑料瓶、滴數傳感器及配套塑料管、計算機、數據采集器、矮試管（10mL、2支）、錐形瓶（100mL、2只）等。

實驗藥品：碳酸鈣、不同濃度的鹽酸、飽和碳酸氫鈉溶液。

2.分組實驗方案及步驟

（1）方案1鹽酸濃度一時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數據采集器、pH傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（pH=2、4）反應的pH-t曲線，裝置見圖2。

①在兩支相同矮試管中分別加入0.5g碳酸鈣粉末，并同時分別加入5mL pH=2、5mL pH=4的鹽酸;②同時插入pH計;③采集數據;④靜置，約60秒后停止數據采集，拆除傳感器，取出pH計，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數據與pH-t曲線圖，圖3。

（2）方案2 二氧化碳濃度一時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數據采集器、CO2濃度傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應的c（CO2）-t曲線，裝置見圖4。

①在兩只塑料瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時插入CO2濃度傳感器，并塞緊傳感器活塞，靜置;③采集數據;④靜置，約60秒后停止數據采集，拆除傳感器，取出CO2濃度傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數據與c（CO2）-t曲線圖，圖5。

（3）方案3 氣體壓強-時間圖的測定。

1）組裝儀器：將計算機、數據采集器、壓力傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應的p-t曲線，裝置見圖6。

①在兩只相同錐形瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時插入壓力傳感器，并塞緊傳感器活塞，關閉導氣孔，靜置;③采集數據;④靜置，約200秒后停止數據采集，打開導氣孔，拔出活塞，取出壓力傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數據與p-t曲線圖，圖7。

（4）方案4 氣體體積-時間圖的測定

1）組裝儀器：將計算機、數據采集器、滴數傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定0.5mol/L鹽酸與碳酸鈣反應的V-t曲線，裝置見圖8。

①在錐形瓶中加入適量塊狀碳酸鈣，并將裝有10mL 0.5mol/L鹽酸的矮試管小心放入錐形瓶中;②在豎直雙通管中加滿飽和NaHCO3溶液，并塞緊錐形瓶上的活塞，打開滴管下方的開關，至無液體滴下;③將錐形瓶傾斜，使試管中鹽酸倒入瓶中，同時打開滴數傳感器，采集數據;④待豎直管中液體快滴完時停止數據采集，關閉滴管的開關;⑤整理數據與V-t曲線圖，圖9。

3.數據處理與分析

（1）依據反應速率概念，進行實驗數據轉換

化學反應速率一般用單位時間內反應物或生成物的濃度變化來表示，為便于交流，測量化學反應速率時，需要將上述pH、壓強、氣體體積等體系性質隨時間的變化曲線換算為鹽酸濃度隨時間的變化曲線。而這些不難通過Logger Pro 3.8.6軟件數據處理目錄中的新計算欄函數設置進行換算，如將pH換算為c（H+）時輸入“10”（-“pH”）”表達式，即可將圖3鹽酸與碳酸鈣反應的pH-t曲線圖轉換為圖10鹽酸與碳酸鈣反應的c（H+）-t曲線圖。

（2）融合相關理科知識，分析圖像化學含義

在分析化學問題時，常會運用反映相關量變化關系的圖像。在結合化學反應原理定性、定量分析圖像時，既要充分彰顯化學學科特點，又要充分應用數學、物理等相鄰理科的已有知識進行全面多樣化的分析，充分體現科學知識獲得的嚴謹性、科學知識應用的融合性。從c（H+）-t曲線圖上測定用c（H+）變化表示的反應速率，在時段△t內計算出濃度差與時段的商△c/△t得到這一時段的平均速率v，它相當于濃度-時間曲線圖上對應時段割線的斜率。當所選用的時段越來越短，最后割線就變成切線，切線的斜率即瞬時速率，相當于△t趨近0時平均速率的極限值，圖11。

（3）發揮軟件計算功能，測定化學反應速率

Logger Pro 3.8.6軟件帶有良好的數據處理功能，且有友好的操作界面，只需在c（H+）-t曲線圖上選取需要的時間段，如4s-12s，然后選擇“statistics”，曲線圖上會顯示系列數據供選擇使用，如起始、終止時刻c（H+）及△c（H+）等。讀取pH=2的鹽酸此時段內△c（H+） =0.00163mol/L，pH=4的鹽酸此時段內△c（H+） =4.83×10-5mol/L。可以分別求算出不同濃度的鹽酸與碳酸鈣反應的割線斜率，即此時段的平均反應速率，圖12。

從曲線圖上測定瞬時速率更加方便，只要選擇切線圖標“tangent”，然后將鼠標放到某時刻，如放在Os時刻，曲線圖上自動同時顯示兩條曲線此時刻的斜率：“c2（H+）Slope：-0.00315： cl（H+）Slope： -5.02E-005”，表示pH=2、4的鹽酸與碳酸鈣粉末反應的起始反應速率分別為0.00315mol/（L·s）、5.02×10-5mol/（L·s），圖130

又如，將鼠標放在8s時刻，可以測定此時的瞬時反應速率分別為0.000194mol/（L·s）、5.897×10-6mol/（L·s），圖14。

三、數學化實驗研究啟示

基于DIS進行的“化學反應速率測定”多角度定量實驗研究，對于中學化學實驗及其教學具有一定的啟示意義。

1.有助于提高定量測定實驗的精度

化學的特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。這樣的學科特征決定化學在注重學科經典的同時，始終要堅持與時俱進，不斷與新科技、新發現相結合。這就要求我們要不斷學習科學技術新成果，及時更新教學內容和優化教學方法。當今是數字化時代，DIS是將計算機和微電子技術相結合的新型實驗手段，除具有便攜、直觀、實時等特點外，精準的實驗數據采集和強大的數據處理能力使其做出的定量分析結果更科學、可信，有助于提高許多中學定量測定實驗的精度，如反應熱的測定、滴定分析等。

2.有助于提高學生的實驗探究能力

利用DIS對一些實驗效果不佳的傳統化學實驗進行改進，在實驗設計階段，要根據實驗目的和化學反應的特點選擇合適的傳感器，例如，化學反應速率的測定，有的反應可以選擇傳感器能直接測量的性質，如c（CO2）、pH、色度等，有的反應則需要將體系的相關性質進行轉換，如根據電導率的變化測定乙酸乙酯水解反應的速率等。在實驗準備階段，要結合傳感器的量程和使用特點，優化反應的條件、調節試劑的濃度和體積、設計組裝與傳感器配套的輔助實驗裝置等。如本課題研究方案1中，pH傳感器的量程決定了只能使用很稀的鹽酸;方案2、方案3中，壓力傳感器、CO2氣體濃度傳感器要求形成固定體積的密封反應體系，必須注意實驗的安全;方案4，巧妙地利用液體滴數傳感器來測定反應生成氣體的體積，實驗裝置的設計具有科學探究的創新意識，實驗開始前將一個裝有鹽酸的矮試管放入已有碳酸鈣的錐形瓶，保證了實驗過程中體系的密封性;用一個裝有飽和碳酸氫鈉溶液的豎直雙通管代替教材中的注射器，化解了器壁摩擦力對實驗精度的影響，選用飽和碳酸氫鈉溶液代替水防止了因CO2溶解對實驗精度的影響;利用滴數傳感器精準記錄反應時滴下液體的滴數，結合相應校準實驗獲得每滴液體的體積（0.04mL），將反應產生氣體的體積轉化為流出液體的滴數，再通過數據采集器還原為氣體體積。整個探究過程中，實驗方案的設計、實驗參數的設置、數據的采集、實驗現象的觀察和記錄、使用軟件對實驗數據進行分析、對實驗曲線進行解釋、撰寫實驗報告等等，整個小組同學相互合作，從實驗問題出發，依據探究目的，設計探究方案，運用數字化實驗進行實驗探究，促進了學生實驗探究能力的發展。

3.有助于深化對化學反應原理的理解

結合本研究展開的化學反應速率的教學，從感性認識到定性描述，再到平均反應速率、瞬時反應速率的定量表述，體現出化學知識有一定的理論高度，也為將來學習速率方程打下一定的學科基礎。運用割線或切線的斜率進行化學反應速率的概念教學，一方面可以加深學生對化學反應速率的理解，同時還注重數學、物理等已有相關知識的融合，有助于學生能從多角度、動態地分析化學變化，形成并發展變量控制的實驗思想，深化對化學反應原理的理解。

4.數字化實驗的教學研究已然在路上

結合本研究，在施教的2個班109名同學中做了一次無記名問卷調查，調查表明，我校目前主要在物理、化學、生物課程中使用了數字化教學儀器;82%的同學認為使用數字化實驗進行學習的方式（可多選）是教師課堂演示，85%的同學認為進行了學生分組實驗，15%的同學在課外興趣小組或研究性課題研究中使用過數字化實驗儀器;78%的同學愿意進行數字化實驗探究學習;51%的同學愿意使用數字化實驗探究學習的理由（可多選）為可以加深對知識的理解，77%的同學認為數字化實驗數據處理更簡便;44%的同學認為數字化實驗探究學習真正符合探究式學習要求，49%的同學認為基本符合;55%的同學認為數字化實驗不完全符合探究式學習要求的主要原因是時間不夠，18%的同學認為是儀器操作不便;67%的同學認為課任老師對數字化實驗探究教學很熱心，愿意開展教學活動，32%的同學認為老師積極性很一般，只在公開課教學時展示一下;72%的同學認為數字化實驗探究學習課程應該常態化，和常規實驗一樣，20%的同學認為應該在課外興趣小組學習中開展。數字化實驗的教學研究已然在路上，讓我們與時俱進吧。