利用智能手機探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

楊世全 張莉華 邱亞明

摘要：為解決部分高中缺少儀器難以開展數(shù)字化實驗的問題，教師以FeCl3催化H2O2分解實驗為例，借助常見的材料和智能手機設(shè)計簡單可行的教學(xué)方案，先測定H2O2分解實驗中O2的壓強和溶液溫度，再將實驗測定數(shù)據(jù)與教材給出的溫度對速率影響倍數(shù)對比，說明H2O2在升溫條件下分解速率增大主要是由催化劑活性決定的，體現(xiàn)了數(shù)字化實驗的便捷與高效，提高了教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：手機傳感器;溫度;化學(xué)反應(yīng)速率;碰撞理論

化學(xué)教師按照教材要求，開展定性研究影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的實驗，一般會采用數(shù)字化手段進(jìn)行設(shè)計與實施。在儀器配備齊全的學(xué)校，教師可以利用成套儀器開展實驗教學(xué)。對于一些暫時沒有條件裝備先進(jìn)儀器的學(xué)校來說，教師需要利用智能手機和常見材料，設(shè)計簡單可行的實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生思考和操作，以高效實現(xiàn)目標(biāo)。

一、實驗存在的不足和改進(jìn)思路

定性研究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素是人教版化學(xué)教材內(nèi)容，人教版《普通高中教科書 化學(xué)必修 第二冊》設(shè)計了溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗^[1]，實驗設(shè)計見表1。人教版《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》也涉及定性與定量探究影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的實驗，同樣給出5%的H₂O₂溶液、1 mol/L FeCl₃溶液、蒸餾水和熱水等試劑，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計相應(yīng)實驗。該實驗的目的是讓學(xué)生認(rèn)識影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，參與設(shè)計實驗的過程，學(xué)會利用控制變量法研究問題。教材上的論述是實驗者通過觀察產(chǎn)生氣泡快慢的現(xiàn)象得出結(jié)論，即其他條件相同時，升高溫度，H₂O₂分解速率增大。對于有催化劑參與的反應(yīng)，在分析溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響時，洪耀輝和周波依據(jù)教材從微觀角度利用簡單碰撞理論分析^[2][3]，認(rèn)為溫度升高增大了活化分子百分含量，提高了有效碰撞頻率，使化學(xué)反應(yīng)速率增大。然而，值得注意的是，H₂O₂分解實驗中用到了FeCl₃（催化劑），而溫度對催化劑的活性有一定影響，例如，酶的催化活性在35℃左右最高。可見，實驗一中化學(xué)反應(yīng)速率增大的原因也可能是：溫度升高導(dǎo)致Fe³⁺催化活性增強，使得H₂O₂分解速率增大。

人教版《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》也從碰撞理論的角度解釋了溫度的影響，但對催化劑活性的影響并沒有提及^[4]。近年高考化學(xué)卷涉及溫度影響催化劑活性從而改變化學(xué)反應(yīng)速率的考查，例如，2020年高考江蘇卷中就有化學(xué)反應(yīng)原理題（涉及催化劑活性）：分析????????催化加氫反應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，????????轉(zhuǎn)化率增大的原因。2016年高考全國Ⅱ卷化學(xué)反應(yīng)原理題也考查了催化劑活性。因此，學(xué)生有必要認(rèn)識溫度對催化劑活性的影響。筆者查閱文獻(xiàn)，范愛玉在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生探究升溫原因——是因為碰撞頻率增大還是通過提高催化劑活性導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率增大，同時設(shè)計了不同溫度下用MnO₂做催化劑反應(yīng)的對比實驗，進(jìn)一步說明催化劑活性影響反應(yīng)速率。筆者認(rèn)為，上述實驗設(shè)計方案有不嚴(yán)密之處：有催化劑存在的情況下，溫度、活化分子的百分含量和催化劑的活性都會影響實驗，究竟是哪種因素影響速率，通過實驗現(xiàn)象是無法說明的。

實驗者重復(fù)教材上的實驗并進(jìn)行分析，在滴入FeCl₃溶液的瞬間，溶液顏色立即變?yōu)樽睾稚ɑ蜃攸S色），說明在滴入FeCl₃溶液之后，溶液中生成了有色的過渡態(tài)絡(luò)合物，如Fe^Ⅲ（HO₂）²⁺與Fe^Ⅲ（OH）（HO₂）⁺。實驗者拍攝常溫水浴和熱水浴發(fā)生反應(yīng)的視頻并進(jìn)行對比，在滴入2滴FeCl₃溶液瞬間，兩支試管中的液體均零星呈棕褐色，常溫水浴組在經(jīng)過2.5 s左右整個溶液呈棕褐色，經(jīng)過4 s左右開始出現(xiàn)少量氣泡;熱水浴組經(jīng)過1.5 s左右整個溶液呈棕褐色，且立即出現(xiàn)少量氣泡。在溶液變色之前，兩組實驗肉眼均無法看到明顯氣泡，氣泡的產(chǎn)生都是在出現(xiàn)棕褐色物質(zhì)之后。隨著時間的推移，常溫水浴組氣泡量逐漸增多，熱水浴組中立即出現(xiàn)大量氣泡，觀察者可以清楚地看到化學(xué)反應(yīng)速率先增大，一段時間又開始減小，且在熱水浴情況下反應(yīng)速率增大更快。學(xué)生如按教材說明進(jìn)行實驗操作，常溫下做兩組實驗，當(dāng)試管中產(chǎn)生少量氣泡時將其中一支試管放入熱水浴中，觀察到熱水浴試管中，氣泡量快速增多。學(xué)生根據(jù)這些實驗現(xiàn)象可以得出溫度升高反應(yīng)速率增大的結(jié)論，但對于加快的原因則無法通過現(xiàn)象判斷。學(xué)生會存在疑惑，到底是從催化劑活性角度分析還是從碰撞頻率增大的角度分析升溫對速率的影響呢？

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論，H₂O₂的分解在一定條件下符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程，速率方程為v=k·c（H₂O₂）。如果溫度升高，僅從簡單碰撞理論分析，根據(jù)阿倫里烏斯定律推出的速率常數(shù)K_exp=A_expe????，A_exp和E_exp為與溫度、濃度無關(guān)的常數(shù)。教師可以利用手機壓力傳感器和溫度傳感器，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一套實驗裝置用以測量H₂O₂分解產(chǎn)生的O₂壓強變化量和溶液的溫度變化量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，可知，在氣體體積和溫度不變的情況下，利用壓強可以求出產(chǎn)生的O₂物質(zhì)的量，根據(jù)方程式系數(shù)關(guān)系可以換算得到H₂O₂的量，取得H₂O₂濃度的變化數(shù)據(jù)，繪制H₂O₂濃度變化曲線，對曲線求導(dǎo)得出以H₂O₂濃度變化表示的速率變化曲線。師生選擇溫度上升段分析，取起始段時間t₁時的溫度T₁和瞬時速率v₁，取速率增大之后某點t₂時的溫度T₂和瞬時速率v₂，根據(jù)速率公式t₁點和t₂點速率之比為??????????????????????????????????????，化簡后得????????????????????????????????????。當(dāng)E_exp保持不變時，速率的變化由濃度和溫度決定，若H₂O₂分解反應(yīng)在升溫過程中速率的增大倍數(shù)符合阿倫里烏斯公式的計算結(jié)果，則說明升高溫度速率增大是由溫度決定的;若計算結(jié)果與實際相差過大，則說明化學(xué)反應(yīng)速率增大并不是溫度造成的，推測是催化劑活性增強的結(jié)果。

二、新實驗的設(shè)計與驗證

（一）實驗試劑及儀器

實驗試劑：約5% H₂O₂溶液、1 mol/L FeCl₃溶液、無水CaCl₂。

實驗儀器：試管、橡膠塞（帶孔）、簡易干燥器、Y形管、玻璃罐頭瓶（1000 mL）、棉花、智能手機一部（帶壓強傳感器、phyphox App）、溫度傳感器、硬紙板（用于固定手機和Y形管）。

說明如下。①容器體積：某型智能手機高13.81 cm、寬6.7 cm、厚0.69 mm;溫度傳感器高10.1 cm、寬4 cm、厚1.15 cm，線長1 m，直徑0.3 cm;硬紙板高16 cm、寬10 cm、厚0.2 cm。綜合考慮，罐頭瓶中收集氣體體積近似為850 mL。②計算數(shù)據(jù)的選擇：由于智能手機測壓非常靈敏，收集數(shù)據(jù)會出現(xiàn)波動（連續(xù)的時間段有升高又有降低），不會出現(xiàn)完全單調(diào)增加或減少的理想情況，因此將一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)平均值作為計算依據(jù)。

（二）實驗的步驟

1.實驗裝置的組裝及實驗前的準(zhǔn)備

簡易干燥器的制作：取醫(yī)用輸液管，將滴壺一端剪開形成大口，另一端不變，去掉多余的細(xì)軟管，在滴壺中裝入一團(tuán)棉花，堵住細(xì)管口，加入足量無水CaCl₂，用棉花堵住大口;將帶細(xì)軟管的一端插入帶孔的橡膠塞中，制成簡易干燥器。

教師打開智能手機，將屏幕設(shè)置為常亮模式，打開Phyphox App，進(jìn)入壓力測量界面，點擊開始按鈕，或者設(shè)置定時開始，放入罐頭瓶中。教師演示實驗時，打開手機投屏軟件，將手機屏幕投放到交互式電子白板上，此時Phyphox測壓界面會呈現(xiàn)在交互式電子白板上。

2.實驗操作

第一步：向Y形管一端滴入2滴 1 mol/L的FeCl₃溶液，用量筒量取2 mL 5%H₂O₂溶液，倒入Y形管的另一端，將溫度傳感器插入滴有FeCl₃溶液的一端，塞緊帶有干燥器的橡膠塞，將Y形管和溫度傳感器同時放入罐頭瓶中。將罐頭瓶瓶蓋扣好，觀察智能手機中壓強的變化。一段時間后，壓強趨于穩(wěn)定，表明裝置氣密性良好。

第二步：使罐頭瓶傾斜，迅速將Y形管中的H₂O₂倒入滴有FeCl₃溶液的一端，記下混合的時間，觀察屏幕中壓力曲線的變化情況。

第三步：當(dāng)壓力數(shù)值趨于一條平滑直線時，打開罐頭瓶瓶蓋，拿出智能手機點擊Phyphox軟件中暫停鍵，停止測壓。同時，點擊溫度傳感器按鍵，停止測溫，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進(jìn)行分析。

（三）實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

利用智能手機測定的壓強隨時間變化數(shù)據(jù)如圖1所示。隨著H₂O₂不斷分解，裝置內(nèi)壓強不斷增大，從曲線斜率上看，反應(yīng)開始曲線較陡，一段時間之后變得較為平緩，可知化學(xué)反應(yīng)速率先大后小。

以第一組實驗為例，反應(yīng)進(jìn)行到345 s時，Δp=p（345 s）-p（0 s）=23.17 hPa，罐頭瓶中的氣體的體積V近似為850 mL，理想氣體常數(shù)R=8.314 J·（mol·K）^-1，空氣溫度為28 ℃，則T=301 K，依據(jù)pV=nRT，可求得產(chǎn)生的O₂物質(zhì)的量n（O₂）。

當(dāng)壓強趨于穩(wěn)定，算出產(chǎn)生的O₂最大量為0.00188 mol，根據(jù)O₂的最大量算出H₂O₂的起始物質(zhì)的量濃度。

n（H₂O₂）=2n（O₂）=0.00376 mol

第一組實驗的部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化情況見表2。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，繪制c—t圖，對曲線求導(dǎo)繪制v—t圖像，同時增加溫度數(shù)據(jù)，繪制T—t圖像（如圖2）。

從圖2中找到溫度升高的點將其記為A點，在該點附近選擇10個左右的數(shù)據(jù)，計算速率平均值，將此平均值作為起始速率進(jìn)行計算;當(dāng)速率升高到最大將其設(shè)為B點，此時溫度并沒有升高到最大值，當(dāng)溫度升高到最大值時的點即C點，最后當(dāng)速率減小到一定程度曲線趨于平緩設(shè)置D點。A點和B點實際測量速率為v_A和v_B，根據(jù)求導(dǎo)所得的數(shù)據(jù)可求速率變化倍數(shù)。

v_A=1.4×10^-5mol·（L·s）^-1，v_B=0.00718 mol·（L·s）^-1，則???????????????????????????????????。

用AB段的濃度和溫度數(shù)據(jù)，假定AB段活化能不變，利用阿倫里烏斯定律計算速率的變化倍數(shù)。A點和B點計算出的速率分別為v'_A和v'_B，其中c_A（H₂O₂）、c_B（H₂O₂）為A、B兩點附近選擇的10個左右數(shù)據(jù)所得的平均值，得到c_A（H₂O₂）=1.88 mol/L。

師生通過實驗測定AB段速率增大，化學(xué)反應(yīng)速率增了506.7倍;根據(jù)濃度和溫度數(shù)據(jù)，利用阿倫里烏斯定律算出的速率倍數(shù)為0.928，數(shù)據(jù)相差較大。BC和CD段化學(xué)反應(yīng)速率倍數(shù)實驗測定數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)見表3。在BC段，溫度仍然升高，速率減小倍數(shù)為1.09，濃度的減小倍數(shù)為1.18，利用阿倫里烏斯定律算出的速率減小倍數(shù)為1.15，通過阿倫里烏斯定律算出的速率變化倍數(shù)和實際速率變化倍數(shù)比較接近。在CD段，溫度開始降低，利用阿倫里烏斯定律算出的數(shù)值與實測數(shù)值接近。

學(xué)生操作這個實驗10次，所得結(jié)果見表4。

表4中的數(shù)據(jù)顯示，AB段的速率變化倍數(shù)相對誤差為18460%，實際測量值與理論計算值相差很大，對于為何AB段化學(xué)反應(yīng)速率增大的問題，只考慮溫度和濃度的影響，顯然與實際不符。根據(jù)阿倫里烏斯定律，加入催化劑之后，不考慮溫度和濃度的影響，大致的速率增大倍數(shù)為??????。若溫度為301 K，忽略濃度變化，H₂O₂分解活化能由75 kJ/mol變?yōu)?9.65 kJ/mol，則ΔE_a=15.35 kJ/mol，算出速率增大倍數(shù)為460左右。從第一組數(shù)據(jù)可以看出計算值和實際速率倍數(shù)相差不遠(yuǎn)，但與平均值仍有一定的差距。主要原因：一方面利用智能手機壓力傳感器測壓比較靈敏，溫度稍變則壓強就立即發(fā)生變化，測定的壓強數(shù)據(jù)突變情況較多，造成速率曲線出現(xiàn)鋸齒狀，給數(shù)據(jù)選擇帶來不便;另一方面，測定的組數(shù)為10組，取平均值仍受偶然因素影響，可能導(dǎo)致數(shù)值偏差較大。鑒于以上原因，對比分析BC和CD段速率變化倍數(shù)，只考慮溫度和濃度的情況下，計算結(jié)果與實際測量結(jié)果基本一致，可以說明BC和CD段速率基本由溫度和濃度決定，即證明AB段通過計算所得的結(jié)果是可信的。

可見，AB段正是由于催化劑的活性改變，造成速率發(fā)生變化。由此確定AB段溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率增大，僅依據(jù)碰撞理論解釋溫度對該階段化學(xué)反應(yīng)速率的影響，不妥。

達(dá)格瑪·維喬切克（Dagmar Wiechoczek）參考H₂O₂被Fe³⁺催化分解的過程，得到H₂O₂分解的原理。

根據(jù)催化原理可知，催化劑降低了反應(yīng)的活化能，結(jié)合過渡態(tài)理論，降低活化能實際就是與反應(yīng)物形成能量更低的中間體，例如，F(xiàn)e^Ⅲ（OOH）²⁺和Fe^Ⅲ（OH）（HO₂）⁺等。一旦形成了穩(wěn)定的中間體，活性中心便失去繼續(xù)反應(yīng)的能力。因此，需要驅(qū)動力迅速打破這種穩(wěn)定態(tài)，從而使體系再次回到高能態(tài)或活化態(tài)，使活性中心再生。溫度升高實現(xiàn)了催化活性中心的再生，促使化學(xué)反應(yīng)速率增大。簡言之，在FeCl₃催化H₂O₂分解反應(yīng)中，溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率增大，有必要考慮催化劑活性的影響。

（四）啟示

在化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)中，學(xué)生利用控制變量法探究催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響后，通常會提出問題：反應(yīng)中出現(xiàn)的溫度變化，也會影響化學(xué)反應(yīng)速率。教師可以簡化實驗方案，解答學(xué)生的疑問。根據(jù)人教版教材的描述“溫度每升高10 ℃，化學(xué)反應(yīng)速率增大2～4倍”，實驗溫度最高達(dá)31.3 ℃，升高了3.4 ℃，而實際測定的速率變化倍數(shù)為506.7，顯然速率增大的情況不符合溫度對速率的影響規(guī)律，推測AB段的速率增大不是溫度導(dǎo)致的。教師引導(dǎo)學(xué)生對拍攝的視頻進(jìn)行分析，根據(jù)慢鏡頭顯示的溶液滴入催化劑的顏色變化和氣泡量，分析得到AB段速率的變化是由于催化劑的活性增強導(dǎo)致的結(jié)論。教師借此幫助學(xué)生認(rèn)識溫度對反應(yīng)速率的影響。學(xué)生不僅需要從碰撞理論角度認(rèn)識，而且需要從催化劑活性角度認(rèn)識。如此，教師在教學(xué)中提高學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)，提升學(xué)生的綜合能力。

三、總結(jié)

實踐證明，教師借助常見的材料和智能手機開展數(shù)字化實驗，可以彌補學(xué)校儀器裝備的不足。設(shè)計簡易測壓裝置，利用手機壓力傳感器測定反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓強變化，在近似恒容恒溫的情況下，用定量計算的方式對問題進(jìn)行分析，不失為一種有效解決化學(xué)實驗教學(xué)的手段。學(xué)生對比分析測定結(jié)果和計算結(jié)果，分析得出結(jié)論：對于單一有催化劑參與的反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速率先增大后減小，需要考慮溫度和濃度的影響，同時需要考慮溫度對催化劑活性的影響。溫度如何影響化學(xué)反應(yīng)速率，可以從兩個角度解釋：一是從碰撞理論角度解釋，升高溫度提高了活化分子的百分量，提高了活化分子之間的碰撞頻率從而增大了化學(xué)反應(yīng)速率;二是從過渡態(tài)理論解釋，升高溫度使催化活性中心再生，增大了催化劑的活性，增大化學(xué)反應(yīng)速率。教師引導(dǎo)學(xué)生探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素時，針對不同的化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)從多角度看待速率的變化本質(zhì)，聯(lián)系實際，提高教學(xué)的科學(xué)性。

注：本文系湖北省教育科學(xué)規(guī)劃課題“關(guān)鍵能力視域下的高三化學(xué)復(fù)習(xí)策略的制定及教學(xué)研究——以化學(xué)反應(yīng)原理模塊的復(fù)習(xí)為例”的研究成果。

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（作者楊世全、張莉華系湖北省安陸市第一高級中學(xué)一級教師;邱亞明系湖北省安陸市第一高級中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志