利用pH傳感器探究“二氧化碳與水的反應”

許艷梅

摘要：人教版《初中化學》上冊第六單元實驗6-5，探究了“二氧化碳能與水的反應”的化學性質，實現對二氧化碳性質的感性認識，進而培養學生學習化學的興趣。但是該實驗步驟繁瑣易導致實驗失敗，課堂教學內容不易落實，更不能凸顯探究實驗的科學性、直觀性。利用手持技術改進該實驗，用pH傳感器實時測定液體pH從7.0降至4.34，直觀地證明CO₂和水反應產生酸;還可以通過壓強傳感器測定密閉容器中氣體壓強的變化來培養學生在數字化實驗中分析數據的能力。

關鍵詞：手持技術;pH傳感器;二氧化碳和水反應;數字化實驗

文章編號：1008-0546（2022）03x-0081-02??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.020

一、問題的由來

“二氧化碳與水的反應”的實驗出自人民教育出版社《初中化學》上冊第六單元的實驗6-5[1]。（圖1）

教材用四朵石蕊溶液染成的紫色干燥紙花分別進行如下實驗：

（I）第一朵紙花噴稀醋酸后變紅，說明酸能使紫色石蕊溶液變紅。

（II）第二朵紙花噴水不變色，說明水不能使紫色石蕊變色。

（III）第三朵紙花直接放入干燥的二氧化碳氣體中不變色，說明二氧化碳不能使紫色石蕊變色。

（IV）第四朵紙花先噴水后再放入充滿二氧化碳的集氣瓶中，紙花變紅，說明二氧化碳與水發生化學反應，生成新物質碳酸。

該實驗利用二氧化碳溶于水使紙花變紅的過程，來探究二氧化碳與水反應的化學性質，實現對二氧化碳性質的感性認識，進一步培養學生學習化學的興趣，調動他們學習化學的積極性。但是該實驗準備時間過長，步驟繁瑣容易導致實驗失敗，而且紫色石蕊小花從紫色變紅色現象不太明顯。課堂教學內容不易落實，更不能凸顯探究實驗的趣味性、科學性、直觀性。

利用pH傳感器實時測定液體的pH值可以直觀地證明CO₂與水反應產生酸;還可以通過壓強傳感器測定密閉容器中氣體壓強的變化來培養學生在數字化實驗中分析數據的能力[2]。

二、實驗用品

啟普發生器、升降臺、帶鐵夾的鐵架臺、250 mL三頸燒瓶1個、兩個單孔橡膠塞、一個雙孔橡膠塞、注射器（50 mL）、計算機、數據采集器、pH傳感器（Vernier pH Sensor）、壓強傳感器（Vernier GPS-BTA）、膠皮管、玻璃導管。

石灰石、稀鹽酸、水、小木條、火柴。

三、實驗步驟

1.按圖2所示連接儀器，檢查裝置氣密性;

2.測蒸餾水的pH;

3.在啟普發生器中加入石灰石和稀鹽酸產生二氧化碳，再用向上排空氣法讓二氧化碳氣體充滿三頸燒瓶，將盛有50 mL水的注射器和氣體壓強傳感器通過橡膠塞固定到三頸燒瓶中間一口中，并將pH傳感器也通過橡膠塞固定到三頸燒瓶上，將兩只傳感器通過數據采集器與計算機連接。

4.將壓強校準為0 kPa，點擊開始采集，17 s時將注射器中50 mL水勻速注入，通過pH傳感器與壓強傳感器來檢測瓶內的變化;

5.1032 s，通過充分振蕩鐵架臺來振蕩燒瓶，測量瓶內壓強和pH的變化，1500 s時停止采集見圖3和圖4。

四、注意事項

1.實驗0 s至83 s的這段時間，pH傳感器探頭與液體沒有充分接觸，所以顯示的數值有異常。隨著蒸餾水的不斷注入，83 s后，pH傳感器的探頭逐漸充分接觸液體，數值逐漸正常，圖3記錄的是83 s至1500 s 這段時間pH的變化情況。1032 s時振蕩燒瓶的過程中pH傳感器與液體沒有充分接觸導致數據有一些異常，一段時間后又恢復穩定。

2.在實際課堂上利用pH傳感器探究二氧化碳與水的反應，只需要84 s至300 s這個時間段pH的數據就可以說明有酸產生，操作上更高效。

3.為了了解在密閉裝置（250 mL燒瓶）中50 mL 蒸餾水靜置時可以吸收多少二氧化碳，壓強可以降低至多少（0 s至1500 s整個實驗過程中相對壓強的變化情況如圖4），pH可以降低至多少，我們延長了實驗的時間。

4.盡量將裝置固定好，通過振蕩鐵架臺來振蕩三頸燒瓶，避免手直接接觸三頸瓶，使手的溫度影響實驗結果。

5.注入蒸餾水之后，需將注射器恢復到原刻度，抵消因液體的注入導致氣壓的變化。

6.注入蒸餾水也要勻速，拉動注射器至初始位置也要勻速。

7.裝置的氣密性十分重要。

五、實驗現象、數據分析和解釋

1.注入50 mL蒸餾水之前，測得蒸餾水的pH為7.02。

2.17 s注入水后，氣體被壓縮，氣壓瞬間增大，54 s時，50 mL蒸餾水全部注入，相對壓強增大到13.78 kPa（相對壓強傳感器初始值校準為0）。83 s時pH為4.47，pH從7.02降低至4.47，證明二氧化碳與水反應產生了酸。

3.54 s至100 s，將注射器勻速推動活塞回到初始位置，氣壓大幅度減小，小于初始壓強，降低到-3.05 kPa。這主要是因為其他條件相同時，氣體被抽走，氣體壓強降低。而且有部分二氧化碳溶于50 mL水中，故壓強降低至0 kPa以下。pH從4.47增大為4.59，可能是其他條件不變時，壓強降低使溶解在水中的二氧化碳變少。

4.注射器活塞拉回到50 mL后，關閉注射器的活塞，隨著實驗時間的延長，每隔100 s讀取一個壓強數據，如表1。

通過數據發現，100s往后二氧化碳氣體還在不斷溶解，導致氣體壓強持續減小。同時有更多的碳酸產生，導致pH降低。此時，氣體壓強和pH降低速度均很慢。

5.1032s時，振蕩燒瓶，每隔100s讀取的實驗數據如表2。

通過對比振蕩前和振蕩后的數據，發現振蕩可以讓二氧化碳和水充分接觸，充分溶解，充分反應，故pH與相對壓強都出現了較明顯的下降直至1400s達到平衡。

六、實驗結論

實驗過程中，pH從7.0降低至4.34，證明二氧化碳和水反應產生酸。

七、反思

1.實驗中需要勻速注入水和勻速拉動注射器回到原刻度，拉動注射器的快慢會影響氣壓的實際變化情況。

2.存在的問題：CO₂中混有HCl和水蒸氣，可能會對實驗數據有影響。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書（化學九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]陳少俊，陳丹云，衷明華.基于手持技術探究催化劑用量對化學反應速率的影響[J].中學化學教學參考，2016 （3）：62.