吳志惠

Excel在《化學(xué)反應(yīng)原理》教學(xué)中的應(yīng)用

吳志惠

（江蘇省橫林高級(jí)中學(xué)江蘇常州213101）

文章介紹了Excel軟件的一些功能在《化學(xué)反應(yīng)原理》實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用。

Excel；圖表；IF嵌套函數(shù)；單變量求解；VBA；化學(xué)平衡；酸堿中和滴定

《化學(xué)反應(yīng)原理》比較系統(tǒng)地介紹化學(xué)反應(yīng)的基本原理和規(guī)律,知識(shí)內(nèi)容復(fù)雜抽象,歷來(lái)是高中化學(xué)教學(xué)中的難點(diǎn)。如果在教學(xué)中將抽象的內(nèi)容形象化、真實(shí)化,必然有助學(xué)生的理解。Excel具有強(qiáng)大的計(jì)算功能及形象的圖表功能,通過(guò)Excel的各種功能的組合,將幫助學(xué)生突破難點(diǎn),深刻領(lǐng)悟抽象的反應(yīng)原理,同時(shí),還能培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。

一、圖表功能初步運(yùn)用

在“化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法”這一節(jié)中(取自于江蘇教育出版社出版的《化學(xué)反應(yīng)原理》),要求學(xué)生繪制H2O2分解反應(yīng)濃度-時(shí)間曲線,并計(jì)算任意一個(gè)10min間隔中平均每分鐘H2O2的物質(zhì)的量濃度的改變值。利用Excel的圖表功能,能精確、快速實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)。

在A1：F2區(qū)域內(nèi)輸入數(shù)據(jù)：(表1),將鼠標(biāo)停留在數(shù)據(jù)區(qū)域,點(diǎn)擊“插入-圖表”,

表1

圖1

出現(xiàn)“圖表向?qū)?4步驟之1-圖表類型”(見(jiàn)圖1),在選項(xiàng)卡“標(biāo)準(zhǔn)類型”中選擇“XY散點(diǎn)圖”,“子圖表類型”選擇“平滑線散點(diǎn)圖”,點(diǎn)擊“下一步”,出現(xiàn)“圖表向?qū)?4步驟之2-圖表源數(shù)據(jù)”,再點(diǎn)擊“下一步”,出現(xiàn)“圖表向?qū)?4步驟之3圖表選項(xiàng)”(見(jiàn)圖2),點(diǎn)擊選項(xiàng)卡“標(biāo)題”中的“圖表標(biāo)題”中輸入“H2O2分解反應(yīng)濃度-時(shí)間曲線”,“數(shù)值(X)軸”輸入“t/min”,“數(shù)值(Y)軸”輸入“c(H2O2)/mol/ L”,點(diǎn)擊選項(xiàng)卡“網(wǎng)格線”中“數(shù)值(X)軸”與“數(shù)值(Y)軸”均勾選“次要網(wǎng)格線”,選項(xiàng)卡“圖例”把“顯示圖例”的勾去掉。點(diǎn)擊完成就得到H2O2分解反應(yīng)的濃度-時(shí)間曲線圖(見(jiàn)圖3)。

選中X軸的網(wǎng)格線,右鍵點(diǎn)擊后出現(xiàn)“網(wǎng)格線格式”,修改“刻度”中“次要刻度單位”為“10”,同樣方法,修改Y軸網(wǎng)格線的“主要刻度單位”為“0.1”“次要刻度單位”為“0.01”,“圖案”-“線條”-“顏色”選為“紅色”,并拉大圖像,可以清晰、快捷地完成教材中規(guī)定的“以10min為時(shí)間間隔,計(jì)算任意一個(gè)10min間隔中平均每分鐘H2O2的物質(zhì)的量濃度的改變值”任務(wù)。

右鍵點(diǎn)擊曲線,選擇“添加趨勢(shì)線”,選項(xiàng)卡“類型”中選擇“指數(shù)”,選項(xiàng)卡“選項(xiàng)”,勾選“顯示R平方值”,“趨勢(shì)預(yù)測(cè)”中“前推20個(gè)單位”,確定后曲線自動(dòng)延伸至100min中,在圖上出現(xiàn)“R2=1”,表明吻合度最高。利用這種方法,可以預(yù)測(cè)100min中H2O2的濃度。

圖2

圖3

二、IF嵌套函數(shù)與圖表功能的結(jié)合運(yùn)用

酸堿滴定曲線的繪制,可以采用pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦,利用相應(yīng)的軟件就能實(shí)現(xiàn)快速便捷繪制。這種方法的缺點(diǎn)是裝備投入較大,用excel同樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理及曲線的繪制。

在表格中輸入如下數(shù)據(jù)：

由于氫離子濃度的計(jì)算方法與溶液的酸堿性有關(guān),當(dāng)溶液顯酸性時(shí)溶液顯中性時(shí)為c(H+)=1×107,溶液顯堿性時(shí)為c(H+)=KW因此必須用IF嵌套函數(shù)解決這個(gè)問(wèn)題,在E2單元格中輸入“=IF((A￥2*B￥2=C￥2* D2),10?-7,(IF((A￥2*B￥2＞C￥2*D2),(A￥2*B￥2-C￥2 *D2)/(B￥2+D2),10?-14*(B￥2+D2)/(C￥2*D2-A￥2 *B￥2))))”,pH=-log(c(H+)),在F2單元格中輸入“=-LOG(E2)”。在D3單元格中輸入2.00,選中D2、D3單元格,鼠標(biāo)放在單元格D3的右下角,會(huì)出現(xiàn)黑十字(填充柄),往下拖動(dòng),可以以等差數(shù)列的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填充其他數(shù)據(jù),直到40.00。由于溶液接近中性時(shí),體積細(xì)微的變化會(huì)引起pH較大的變化,因此,在D20單元格下插入8行,在D21單元格內(nèi)輸入“19.20”,使每次的體積變化為“0.02mL”,用填充柄自動(dòng)填充其他數(shù)據(jù)。選中單元格E2、F2,用填充柄自動(dòng)填充公式,就能得到氫離子濃度及對(duì)應(yīng)的pH。

按住“Ctrl”鍵不放松,選擇氫氧化鈉溶液的體積與pH這兩組數(shù)據(jù)(不要多選),點(diǎn)擊“插入-圖表”,在選項(xiàng)卡“標(biāo)準(zhǔn)類型”中選擇“XY散點(diǎn)圖”,“子圖表類型”選擇“平滑線散點(diǎn)圖”,就能得到滴定曲線。通過(guò)這種方法,可以使學(xué)生直觀地觀察到滴定曲線的突變。

只需改變單元格A2、B2、C2(即鹽酸的濃度、體積或者氫氧化鈉的濃度),pH能實(shí)時(shí)改變,能方便地觀察曲線的變化過(guò)程,從而理解為什么氫氧化鈉的濃度與鹽酸濃度要相近的原因。

表2

三、單變量求解功能的應(yīng)用

化學(xué)平衡的移動(dòng)是高中教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn),由于概念抽象,學(xué)生不易理解接受。如果把抽象的推導(dǎo)過(guò)程用數(shù)據(jù)展現(xiàn)給學(xué)生,將幫助學(xué)生容易突破難點(diǎn)。但是,絕大多數(shù)的化學(xué)平衡的計(jì)算是高次方程,不易求解,如果引入Excel單變量求解功能,將解決這一棘手問(wèn)題。

下面以2SO2+O2?2SO3這一化學(xué)平衡為例來(lái)說(shuō)明如何運(yùn)用這一功能：

恒溫恒容條件下,容器體積為1L,假設(shè)SO2、O2與SO3的初始投料分別為1mol、1mol、0mol,平衡常數(shù)K= 20,建立如下表格(見(jiàn)表3)。

表3

SO2結(jié)束時(shí)濃度為“初始濃度-變化濃度”,在B3單元格中輸入“=B2-B3”。O2的變化濃度是SO2的一半,C3單元格中輸入“=B3/2”,C4單元格中輸入“=C2-C3”。SO3的變化濃度與SO2的相同,D3單元格中輸入“=B3”,D4單元格中輸入“=D2+D3”。平衡常數(shù),在 E2單元格中輸入公式“=D4?2/B4?2/C4”。點(diǎn)擊“工具-單變量求解”,在“目標(biāo)單元格”中選擇“E2”單元格,目標(biāo)值20(即平衡常數(shù)K= 20),“可變單元格”中選擇“B3”單元格(即變量),見(jiàn)圖4。點(diǎn)擊確定后,出現(xiàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)。

圖4

表4

點(diǎn)擊“工具-選項(xiàng)-重新計(jì)算-迭代計(jì)算”中,更改“最多迭代次數(shù)”為“10000”,“最大誤差”為“0.0000001”,并勾選該項(xiàng),重新進(jìn)行單變量求解,可得更精確的數(shù)據(jù),見(jiàn)表5。

表5

在B5單元格中輸入“=B3/B2”,C5單元格中輸入“= C3/C2”,即可得反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。

復(fù)制該表格,粘貼在A7、A13單元格,即可得兩張相同的表,將其中一張表中的SO2的初始濃度改為2,其他不變,另一張表中O2的初始濃度改為2,其他不變,都重新用單變量求解進(jìn)行運(yùn)算,得新數(shù)據(jù),見(jiàn)表6與表7。

表6

表7

對(duì)比表5、表6、表7的數(shù)據(jù),可以很容易得出結(jié)論：恒溫恒容條件下,對(duì)于可逆反應(yīng)“A+B?C”,如果增加反應(yīng)物A的物質(zhì)的量,平衡向正方向進(jìn)行,A的轉(zhuǎn)化率下降,B的轉(zhuǎn)化率升高。

可逆反應(yīng)2NO2?N2O4是一種特殊類型的反應(yīng),只有二種物質(zhì),該平衡體系涉及一些問(wèn)題學(xué)生難以理解。運(yùn)用單變量求解功能,可以得以下四張表(注：除表9外,均為恒溫恒容條件下,表9是對(duì)表8的容器進(jìn)行恒溫壓縮)。

表8

表9

表10

表11

對(duì)比表8與表11,可以得出結(jié)論：增加NO2的投料,平衡向正方向移動(dòng),NO2的轉(zhuǎn)化率提高,NO2百分含量下降;對(duì)比表4與表10,可以得出結(jié)論：增加N2O4的投料,平衡向逆方向進(jìn)行,NO2的轉(zhuǎn)化率降低,NO2百分含量下降;表10與表11是等效平衡,平衡時(shí)NO2的百分含量相同,但由于投料方式不同,NO2的轉(zhuǎn)化率不同。

比較表8與表9的數(shù)據(jù),表9相當(dāng)于對(duì)表8的體系到達(dá)平衡后,使表8的容器體積變?yōu)樵瓉?lái)的一半,可以得出結(jié)論：開(kāi)始時(shí)顏色加深,隨著平衡的正向移動(dòng),顏色逐漸變淺,到達(dá)新平衡后,顏色仍比上次平衡時(shí)深。

通過(guò)這些直觀數(shù)據(jù)比較得出的結(jié)論,然后引導(dǎo)學(xué)生定性分析這些結(jié)論的原因。

四、單變量求解、VBA、函數(shù)及圖表的綜合運(yùn)用

如果要繪制強(qiáng)堿滴定弱酸的pH變化曲線,pH值的計(jì)算常用的方法是用近似法,利用單變量求解可以求出相對(duì)更精確的值。但是單變量求解的缺點(diǎn)是每次只能求出一個(gè)pH值,如果要每次計(jì)算,就會(huì)十分繁瑣,可以編寫簡(jiǎn)單的VBA來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

比如,用0.10mol·L-1的NaOH溶液來(lái)滴定20mL 0.10mol·L-1的醋酸溶液,建立如下初始表格,見(jiàn)表12。

表12

V(總)=V(HAc)+V(NaOH),在B7單元格中輸入“=B￥3+A7”,反應(yīng)后的c(HAc)=(n(HAc)初始-n(NaOH))/V(總),在C7單元格輸入“=(A￥3*B￥3-C￥3*A7)/ B7”;c(NaAc)=n(NaOH)/V(總),在D7單元格輸入“=C￥3*A7/ B7”;假定H+濃度為0.000001 mol·L-1,

在E7單元格輸入“0.000001”,在F7單元格輸入“=E7*(D7+E7-10?-14/E7)/(C7-E7+10?-14/E7)”;在堿沒(méi)有過(guò)量前,pH的計(jì)算直接用H+的濃度計(jì)算,當(dāng)堿過(guò)量后,直接用堿的濃度計(jì)算,pH=14-pOH,在G7單元格輸入“=IF(C7＞=0,-LOG(E7),14+LOG(-C7))”。在A8單元格中輸入“2.00”,選中A7、A8兩個(gè)單元格,用填充柄填充至40,利用填充柄填充B至G列的第7行以下的單元格的函數(shù)或數(shù)值。

點(diǎn)擊“工具-宏-Visual Basic編輯器”,“插入-模塊”,在代碼窗口中輸入下列代碼：

End Sub

1008-0546（2013）05-095-03

：G632.41

：B

10.3969/j.issn.1008-0546.2013.05.044