王欣磊+沈甸

摘要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象直觀，但學(xué)生難以體會(huì)到變化的微觀過(guò)程。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中引入依托傳感技術(shù)的數(shù)字化信息技術(shù)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段。利用壓強(qiáng)傳感技術(shù)測(cè)定二氧化碳在水中的溶解速率，檢驗(yàn)二氧化碳與氫氧化鈉、飽和碳酸鈉溶液反應(yīng)所具有的特有現(xiàn)象，可揭示化學(xué)變化內(nèi)在的某些特點(diǎn)，也可為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供豐富素材。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字化技術(shù)實(shí)驗(yàn)；壓強(qiáng)傳感器；二氧化碳檢測(cè)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）9–0058–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)是一門(mén)基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于理解化學(xué)理論知識(shí)裨益頗大。中學(xué)化學(xué)中常用的基于玻璃儀器和試劑的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，對(duì)于有發(fā)光、發(fā)熱、顏色變化等現(xiàn)象明顯的化學(xué)反應(yīng)教學(xué)效果好。但涉及到有氣體產(chǎn)生、微弱溫度變化、電子轉(zhuǎn)移等用肉眼難以觀察到現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能憑空想象，教學(xué)效果差強(qiáng)人意。

早在1978年，發(fā)達(dá)國(guó)家已使用傳感器來(lái)輔助教學(xué)。在美國(guó)化學(xué)教材[1]中，將依托傳感器設(shè)計(jì)的新型實(shí)驗(yàn)取代了過(guò)去的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。但反觀國(guó)內(nèi)中學(xué)化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，即使在上海這樣較發(fā)達(dá)地區(qū)，真正將傳感技術(shù)應(yīng)用于課堂中的學(xué)校屈指可數(shù)。筆者認(rèn)為，除了資金原因之外，缺乏緊扣教材內(nèi)容、切實(shí)可行、設(shè)備簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例是傳感技術(shù)尚未被廣泛使用的主要原因。

當(dāng)前，適用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)的傳感器有多種類(lèi)型，如溫度傳感器、pH傳感器等。本文將以壓強(qiáng)傳感器作為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)定二氧化碳在水中的溶解速率，檢驗(yàn)二氧化碳與氫氧化鈉、碳酸鈉反應(yīng)的特有現(xiàn)象。選擇壓強(qiáng)傳感技術(shù)的原因在于：（1）壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)可靠，性能穩(wěn)定，操作便捷；（2）壓強(qiáng)是研究氣體反應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)定。引入壓強(qiáng)傳感技術(shù)能將壓強(qiáng)數(shù)字化、直觀化，掃除學(xué)生理解上的障礙；（3）壓強(qiáng)傳感器相對(duì)比較便宜，一套壓強(qiáng)傳感器裝置的價(jià)格在2000元以?xún)?nèi)，能為一般中學(xué)所接受。

1 壓強(qiáng)傳感技術(shù)及裝置簡(jiǎn)介

壓強(qiáng)傳感技術(shù)是DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一種，由壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和通用軟件組成。壓強(qiáng)傳感器是通過(guò)壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)在恒容、密閉體系中氣體微弱的壓強(qiáng)變化，然后把測(cè)得的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)字采集器將電信號(hào)處理后傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)通用軟件進(jìn)行分析處理，并以數(shù)據(jù)圖表等形式輸出[2]。

本研究中所使用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置是以250mL集氣瓶作為反應(yīng)容器，配以符合集氣瓶口徑的單孔橡皮塞，橡皮塞連接塑料導(dǎo)管再連接至壓強(qiáng)傳感器。用集氣瓶作為反應(yīng)容器連接壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)苜N近教材上相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，裝置簡(jiǎn)單操作簡(jiǎn)化，能在較短的時(shí)間內(nèi)精確測(cè)出集氣瓶?jī)?nèi)微弱的壓強(qiáng)變化。

2 壓強(qiáng)傳感技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 二氧化碳收集方法探究

實(shí)驗(yàn)室中如何收集一瓶純度較高的二氧化碳?xì)怏w？在我國(guó)的中學(xué)化學(xué)教材中，二氧化碳通常用向上排空氣法收集，而用該法收集二氧化碳很難判斷氣體是否集滿(mǎn)：已有實(shí)驗(yàn)[3]證明當(dāng)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%就能使點(diǎn)燃的木條熄滅。因此用此法收集到的二氧化碳往往不純。

20℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1體積水中能溶解0.88體積的二氧化碳。因此二氧化碳通常被認(rèn)為不能使用排水法收集。但國(guó)外的化學(xué)教材上多用排水法來(lái)收集。國(guó)內(nèi)已有不少研究明確地提出了二氧化碳可以用排水法來(lái)收集[4，5]，但缺乏具體的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明用排水法來(lái)收集一定量的二氧化碳時(shí)二氧化碳在水中溶解的量或者說(shuō)損失率。本研究將用壓強(qiáng)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)一定時(shí)間內(nèi)二氧化碳在水中的溶解速率，再?gòu)亩趸嫉南穆实慕嵌葋?lái)定量地說(shuō)明用排水法收集二氧化碳的可行性。

2.1.1 基于壓強(qiáng)傳感技術(shù)驗(yàn)證二氧化碳在水中的溶解速率

收集一集氣瓶二氧化碳?xì)怏w，加入約三分之一集氣瓶的水并立即蓋上附有傳感器的橡皮塞，在室溫（15℃）下通過(guò)壓強(qiáng)傳感器測(cè)定集氣瓶中壓強(qiáng)變化，由氣體壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)計(jì)算二氧化碳在水中的溶解速率，具體過(guò)程如下：

（1）開(kāi)始：數(shù)據(jù)采集器連接壓強(qiáng)傳感器，打開(kāi)logger lite 1.5軟件，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，壓強(qiáng)為縱坐標(biāo)，得到“壓強(qiáng)-時(shí)間”曲線(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)采集：氣體壓強(qiáng)緩慢減小，曲線(xiàn)基本保持水平，4分鐘后停止采樣，得到如圖2所示的“壓強(qiáng)-時(shí)間”曲線(xiàn)。

選取0～120秒數(shù)據(jù)做出擬合圖線(xiàn)方程Pres=mt+b（m代表斜率，b代表截距）：P=-0.003618t+103.0。由此可得前兩分鐘內(nèi)二氧化碳在水中的平均溶解速率ν=0.007980÷8.314÷288×60=9.06×10-5 mol/（L·min）。而常溫常壓下用2mol/L鹽酸與大理石反應(yīng)制取二氧化碳，前兩分鐘的平均速率在0.109 mol/（L·min）[6]左右。將這兩個(gè)數(shù)據(jù)相除可以得知，若用排水法收集二氧化碳?xì)怏w損失約為0.083%。

結(jié)論：通常情況下，二氧化碳?xì)怏w在水中的溶解速率很慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二氧化碳的制取速率。因此可以用排水法收集，且收集到的氣體較排空氣法更純凈。

2.2 二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究

二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)沒(méi)有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，中學(xué)往往通過(guò)壓強(qiáng)變化證明反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了。通常的做法是在一個(gè)充滿(mǎn)二氧化碳的礦泉水瓶中加入適量的氫氧化鈉溶液，迅速蓋緊瓶蓋。振蕩溶液，發(fā)現(xiàn)瓶變癟由此得出二氧化碳能與氫氧化鈉反應(yīng)，使瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變小，此實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是要?jiǎng)×艺袷幍V泉水瓶。再現(xiàn)高考題中二氧化碳與氫氧化鈉溶液的噴泉，也需振蕩否則溶液液面上升很慢，甚至停止不動(dòng)。為何二氧化碳與氫氧化鈉的實(shí)驗(yàn)需要振蕩呢？此外，經(jīng)常會(huì)有學(xué)生提出疑問(wèn)：礦泉水瓶變癟會(huì)不會(huì)是由于二氧化碳溶解在水中的緣故呢？為了解釋這些問(wèn)題，筆者用壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)一定時(shí)間內(nèi)二氧化碳與氫氧化鈉在不振蕩和振蕩條件下的壓強(qiáng)變化，并與二氧化碳溶于水的壓強(qiáng)變化作比較。

2.2.1 基于壓強(qiáng)傳感技術(shù)驗(yàn)證二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

用排水法收集較純凈的二氧化碳?xì)怏w于集氣瓶中，迅速加入20mL 2 mol/L的氫氧化鈉溶液立即蓋上附有傳感器的橡皮塞，在室溫（15℃）下通過(guò)壓強(qiáng)傳感器測(cè)定集氣瓶中壓強(qiáng)變化，具體步驟與二氧化碳在水中的溶解速率實(shí)驗(yàn)相同。

采集前兩分鐘的數(shù)據(jù)，選取不同時(shí)段（0～54s、55～61s）數(shù)據(jù)分別做擬合圖線(xiàn)方程（1、2）：P1=-0.1695t+99.27；P2=-1.684t+181.1，得到如圖3所示的“壓強(qiáng)-時(shí)間”曲線(xiàn)。

計(jì)算與討論：0～54秒曲線(xiàn)斜率基本不變，ν1=4.25×10-3 mol/（L·min）；54秒后不斷振蕩集氣瓶，壓強(qiáng)急劇下降，55～61秒內(nèi)ν2=4.22×10-2 mol/（L·min）；由于二氧化碳的消耗斜率逐漸減小。無(wú)論振蕩與否，二氧化碳在氫氧化鈉溶液中的溶解速率均大于其在相同條件下在水中的溶解速率9.06×10-5 mol/（L·min），說(shuō)明二氧化碳在氫氧化鈉溶液中不僅僅是溶解，還發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

從圖中也可以明顯看出，在不振蕩的情況下二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)速率仍較慢，振蕩后反應(yīng)速率顯著提高。這是由于二氧化碳是一種非極性分子，溶于水這種極性溶劑中的速率較慢，因此難以快速與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)。而振蕩可以增加二氧化碳這一氣相與溶液相的接觸，從而提高反應(yīng)速率。

結(jié)論：二氧化碳與氫氧化鈉溶液混合后壓強(qiáng)變小不僅僅是溶于水所造成的，還發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。在通常情況下，氫氧化鈉吸收二氧化碳的速率較慢，在振蕩的情況下可以快速反應(yīng)。因此做好礦泉水瓶中二氧化碳?xì)怏w和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、二氧化碳?xì)怏w和氫氧化鈉溶液的噴泉實(shí)驗(yàn)，振蕩是成功的關(guān)鍵。

2.3 二氧化碳?xì)怏w與碳酸鈉溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究

在二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)后的溶液中繼續(xù)通入二氧化碳仍能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。為了證明產(chǎn)物碳酸鈉也能與二氧化碳反應(yīng)，有些教師用飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳反應(yīng)，試圖使碳酸氫鈉晶體析出，但實(shí)驗(yàn)難以成功，一般解釋是二氧化碳?xì)怏w中有酸霧，但洗盡酸霧后也難成功。通過(guò)本研究中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以知道通常情況下水和氫氧化鈉溶液對(duì)二氧化碳的吸收速率都很慢，更不用說(shuō)飽和碳酸鈉溶液了，因此難以析出碳酸氫鈉晶體的關(guān)鍵原因也是反應(yīng)速率慢。二氧化碳?xì)怏w大部分沒(méi)參與反應(yīng)便從溶液中逸出，如要有晶體析出需生成較多的碳酸氫鈉并達(dá)到飽和狀態(tài)，因此很難在短時(shí)間內(nèi)觀察到有晶體的析出[7]。用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段也很難觀察到壓強(qiáng)的變化，而通過(guò)壓強(qiáng)傳感器就能在短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證這一反應(yīng)的發(fā)生。

2.3.1 基于壓強(qiáng)傳感技術(shù)驗(yàn)證二氧化碳?xì)怏w與飽和碳酸鈉溶液的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)步驟與二氧化碳在水中的溶解速率實(shí)驗(yàn)相同，僅將水換成20mL飽和碳酸鈉溶液。

采集前兩分鐘數(shù)據(jù)，集氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)逐漸減小，一分鐘后不斷振蕩集氣瓶，曲線(xiàn)斜率增大，得到如圖4所示的“壓強(qiáng)-時(shí)間”曲線(xiàn)。

選取不同時(shí)段（0～60s、61～120s）數(shù)據(jù)分別做擬合圖線(xiàn)方程（1、2）：P1=-0.03206t+102.5；P2=-0.3667t+123.3。計(jì)算得到ν1=8.03×10-4 mol/（L·min），ν2= 9.19×10-3 mol/（L·min），均大于相同條件下二氧化碳在水中的溶解速率9.06×10-5 mol/（L·min），說(shuō)明二氧化碳在碳酸鈉溶液中不僅僅是溶解，還發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，振蕩可以提高反應(yīng)速率。

結(jié)論：利用壓強(qiáng)傳感技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到二氧化碳與飽和碳酸鈉反應(yīng)的壓強(qiáng)變化，證明二氧化碳確實(shí)能與碳酸鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

3 小結(jié)

數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)在于，化學(xué)反應(yīng)雖然在短時(shí)間內(nèi)完成了，但是學(xué)生在觀察到現(xiàn)象的同時(shí)得到了觀察不到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析可以解釋很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解釋的問(wèn)題，做到用數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)，掃除學(xué)生理解上的障礙，同時(shí)也提高了對(duì)數(shù)據(jù)、圖像的分析能力。借助壓強(qiáng)傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，基本能夠涵蓋大部分中學(xué)化學(xué)及物理學(xué)科中所涉及到的氣體的實(shí)驗(yàn)，如催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、氣體摩爾體積的測(cè)定等。遺憾的是，由于選取傳感器種類(lèi)單一所限，部分中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)尚不能用本裝置完成。如今，傳感技術(shù)在國(guó)內(nèi)中學(xué)教育領(lǐng)域尚未普及，謹(jǐn)以此探索其應(yīng)用的可能性與優(yōu)勢(shì)。

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