楊秋旸

（深圳第二外國語學?！V東深圳　518110)

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Microsoft Excel在高中化學定量實驗中的應用
——用質量差法測定化學反應速率及濃度對速率的影響

楊秋旸

（深圳第二外國語學校廣東深圳518110)

摘要：使用電子天平、錐形瓶、注射器、干燥管等常規(guī)儀器，通過精確測量大理石和鹽酸反應體系的質量變化，利用質量差法計算生成的CO2的質量，從而精確計算出用鹽酸表示出的速率；借助Excel軟件對眾多數據進行處理，快速計算出反應速率，并精確繪制出速率-時間圖，直觀地反映出鹽酸濃度的變化對速率快慢產生的影響。該實驗展示了現(xiàn)代計算機技術在高中化學定量實驗中的應用所體現(xiàn)的精確性和高效性。

關鍵詞：Excel；質量差；反應速率；實驗設計

人教版高中化學教材（選修4）第18頁實驗2-1（如圖1）旨在達到如下三個教學目的：1.使學生鞏固化學反應速率的計算方法；2.使學生了解濃度對化學反應速率的影響；3.使學生了解在同一反應中用不同物質所表示的化學反應速率在數值上與化學方程式中各物質前的計量數存在著正比關系［1］。該實驗通過量筒收集反應生成的H2并讀取其體積，最終轉化成用鹽酸表示的反應速率。該實驗裝置設計簡易便于操作，然而作為一個定量實驗卻存在著嚴密性欠佳的嚴重缺陷：首先，氣體的體積受溫度、壓強等多種因素的影響，測量誤差較大；其次，Zn與H2SO4反應的熱效應較大，溫度的改變對速率造成的影響沒有進行變量控制。為此，筆者對該實驗進行如下改進。

圖1　測量鋅與硫酸反應速率的裝置

一、實驗構想

質量相對于氣體的體積而言受溫度、壓強的影響很小，可忽略不計，所以，通過測量反應中某個反應物或生成物的質量變化及時間變化來計算反應速率，就可以大大減小實驗誤差，提高定量實驗的精確度。對有氣體生成的反應連續(xù)稱量其體系的質量便可以通過質量差法計算出生成的氣體質量。如果，生成的氣體摩爾質量較大，便可使測量數據比較靈敏［2］。然后，再通過方程式中的計量數算出其他反應物或生成物的質量、物質的量、物質的量濃度，最終計算出反應速率。

由于連續(xù)稱量質量及各種物理量之間的轉化涉及到的數據偏多，計算量較大，如果能夠借助Microsoft Excel軟件對數據進行處理就可以給我們的工作帶來很大的方便。首先，由學生自己或在教師的指導下編寫各個數據的計算公式，借以鞏固反應速率的計算方法及進一步熟悉各物理量之間的轉換關系；然后，在實驗過程中直接輸入測量數據，可迅速得出結論。

二、實驗原理

以錐形瓶做反應容器，向其中加入大理石顆粒和鹽酸，使之發(fā)生反應CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，用電子天平連續(xù)稱量體系質量，質量變化就等于CO2的質量。將CO2的質量輸入Excel表格，根據編寫好的計算公式自動生成用鹽酸表示的速率，并在Excel中做出速率-時間曲線圖，從數據或曲線變化均可看出濃度和速率之間的關系。

三、實驗儀器及藥品

秒表、電子天平、250mL錐形瓶、60mL注射器、干燥管、棉花、燒杯，粒徑4mm左右的大理石、氯化鈣、4mol/L的鹽酸。

四、實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，實驗中使用的電子天平量程為1000g，精確度是0.01g。為防止HCl和H2O的揮發(fā)造成誤差，在干燥管的下部裝有用水濕潤的棉花，以吸收揮發(fā)出來的HCl，干燥管的上部裝有無水CaCl2，以吸收揮發(fā)出來的水蒸氣；兩者之間用干燥的棉花隔開。為了保持收集數據的連貫性，使測量的數據更少地受到其它因素的干擾，本實驗采用注射器注射鹽酸的方法。

圖2　改進后的實驗裝置圖

五、實驗過程

（1）根據反應CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，在Excel表格中嵌入CO2的質量（g）與用鹽酸表示的速率（mol·L-1·min-1）、鹽酸的濃度（mol/L）的轉化關系，并做好相關量的統(tǒng)計表（如圖3）。

綜上所述，可得如下計算公式：

各時間段內平均反應速率：

圖3　碳酸鈣與鹽酸反應實驗數據統(tǒng)計表

C4：fx=B3-B4

D4：fx=C4*73/44

E4：fx=D4/36.5/0.05/0.5

F4：fx=（F3*0.05-D4/36.5）/0.05

其他公式通過“下拉”操作自動生成。

（2）在錐形瓶中加入約20g的大理石，塞上帶有注射器及干燥管的膠塞，置于電子天平上，用注射器向錐形瓶中推入50mL濃度為4mol/L的稀鹽酸。

（3）反應片刻后，每隔30s記錄一次反應體系的總質量，將數據輸入表1中的B（3-10），電腦將自動計算出其它數據。

（4）選定數據A（4—10）和E（4—10），利用Excel散點圖生成速率-時間圖（如圖4）。

（5）實驗結束后，立即將錐形瓶中的液體傾倒入燒杯中，使反應停止，并清洗錐形瓶中的大理石?；厥盏腃aCO3可以重復使用，如用于實驗室制備CO2。

六、實驗結果及討論

所得實驗數據詳見表1，生成的速率-時間圖見圖4。表1的最后兩列數據及圖4中的曲線斜率變化均表明：隨著反應的進行，鹽酸濃度逐漸減小，反應速率逐漸減小。

圖4　碳酸鈣與鹽酸反應的v-t圖

大理石顆粒大小及溶液體積多少在反應前后變化均不明顯，可視為不變；該反應前后溫度變化亦不明顯，且該反應屬于放熱反應，溫度的升高對反應的速率影響與濃度減小對反應速率的影

液在溫度和溶劑的量不變的情況下，溶質是不會從溶液中分離的，可是在實際生產中需要將溶質從溶液中分離出來，比如氯化鈉從海水中分離出來，這就產生了新舊知識的矛盾，提高學生探究興趣。

2.注意學生的后續(xù)發(fā)展

教學過程中不應該僅關注眼前利益，即只關注學生能考得高分，而應該注意學生的后續(xù)發(fā)展，將初中知識與高中及以后的發(fā)展相結合。本節(jié)課中的溶解與結晶的動態(tài)平衡的介紹，讓學生能初步形成動態(tài)觀，為高中的平衡知識的學習做鋪墊。

3.注重學生的探究實驗

化學本就是一門以實驗為基礎的學科，課堂上應注重學生的探究實驗，有利于增強學生課堂的有效關注度，提高課堂效率；有利于增強學生的實驗操作能力，提高實驗功能。本節(jié)課的兩組學生實驗，學生在自己的動手操作過程中感受了固體從溶液中析出，現(xiàn)象明顯，既學到了知識，又體驗了成功的喜悅，這是演示實驗無法比擬的。

參考文獻

［1］王祖浩主編.九年級化學教師教學指導書［M］.上海：上海教育出版社，2014，11：16-26

［2］中學化學國家課程標準研制組.九年級義務教育教科書化學［M］.上海：上海教育出版社，2015，11：21-23

［3］楊劍春，夏建華.“空氣”第一課時教學設計及點評［J］.中學化學教學參考，2015，（6)：29-32

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.030

文章編號：1008-0546（2016）04-0083-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B