柴紅梅，閆婷婷，任宜霞，楊子涵，張妍妍

(延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院；陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安716000)

人教版《高中化學(xué)(選修4)》第二章第二節(jié)在探究“反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響”實(shí)驗(yàn)[1]是高中階段化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是教學(xué)中的重點(diǎn)。但存在以下問題：

(1)沒有明確指定H2SO4溶液的濃度和體積及酸化時(shí)間等。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖羌尤胼^濃的H2C2O4溶液時(shí)褪色更快，但是有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)反?，F(xiàn)象[2]。

(2)實(shí)驗(yàn)中用肉眼判斷反應(yīng)褪色的時(shí)間是建立在感官的觀察基礎(chǔ)上，但學(xué)生對(duì)顏色變化的感知有所不同，所以很難確定反應(yīng)褪色的真實(shí)時(shí)間，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。

近年來(lái)智能手機(jī)傳感技術(shù)已成為十分令人關(guān)注的研究熱點(diǎn)[3-5]。李嘉[4]利用手機(jī)的圖像傳感器及App軟件Color Grab來(lái)獲取FeCl3溶液的圖像，通過(guò)比較色差值大小來(lái)探究濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響，但是并未直接給出濃度與時(shí)間的關(guān)系。本文利用比較普及的智能手機(jī)及光學(xué)傳感器App作為檢測(cè)器、單色Led燈作為光源，通過(guò)檢測(cè)反應(yīng)體系透過(guò)光強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系來(lái)計(jì)算吸光度與時(shí)間的關(guān)系，分別探究高錳酸鉀酸化時(shí)間和不同反應(yīng)物的初始濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，建立一種簡(jiǎn)單、便攜、經(jīng)濟(jì)和嚴(yán)謹(jǐn)直觀的方法來(lái)研究反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

該方法不僅通過(guò)自組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及時(shí)、快捷地轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的曲線變化，讓學(xué)生快速理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握實(shí)驗(yàn)結(jié)論，幫助學(xué)生掌握控制變量法、數(shù)據(jù)的處理和分析方法，而且減小肉眼對(duì)反應(yīng)褪色時(shí)間判斷的誤差，更為視覺障礙的學(xué)生提供幫助，適用人群廣泛，將為智能手機(jī)引入實(shí)驗(yàn)提供一定借鑒，使學(xué)生對(duì)探究活動(dòng)的積極性更高，有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察和分析圖表的能力，從而更好地體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)體系中的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

智能手機(jī)、517～525 nm綠色Led小燈珠

(2.8 V-3.4 V)、電腦、比色皿；

0.01 mol/L高錳酸鉀(KMnO4)溶液、4 mol/L硫酸(H2SO4)溶液、0.05 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L草酸(H2C2O4)溶液和蒸餾水。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)手機(jī)安裝App：打開智能手機(jī)軟件商店應(yīng)用，查找phyphox軟件，下載并安裝；

(2)按照?qǐng)D1組裝實(shí)驗(yàn)儀器：將手機(jī)、比色皿和綠色led小燈珠放置于暗箱中，注意將光源對(duì)準(zhǔn)智能手機(jī)光感應(yīng)口；

(3)在室溫下，用移液管依次移取一定體積的KMnO4溶液，蒸餾水(為了使反應(yīng)體系總體積不變)，一定體積的H2SO4溶液置于試管中，搖勻放置一定時(shí)間后，加入一定體積的H2C2O4溶液(加入一半時(shí)開始計(jì)時(shí))，再次搖勻，迅速置于比色皿并放入實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1所示)，當(dāng)時(shí)間為60 s時(shí)點(diǎn)擊手機(jī)App(phyphox)(如圖2)軟件中l(wèi)ight項(xiàng)右上角白色三角形進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)體系透過(guò)光強(qiáng)度隨時(shí)間進(jìn)行變化，如圖3所示，等光強(qiáng)度基本穩(wěn)定后，點(diǎn)擊右上角白色雙豎線暫停；后點(diǎn)擊右上角白色三點(diǎn)，選擇“Save experiment state”中“share”用微信、QQ或者其他方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)[5]，同時(shí)目測(cè)剩余溶液褪色時(shí)間t/s；

圖2 “phyphox”軟件

圖3 light測(cè)量圖

(4)數(shù)據(jù)處理：按照A=-lgT=-lg(I/I0)，求出溶液的吸光度A，并繪制A-t曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同草酸濃度下硫酸濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

分別移取0.50 mL KMnO4溶液、8～0 mL蒸餾水、1～9 mL H2SO4置于試管中，搖勻，酸化300 s鐘后立即加入不同濃度的H2C2O4溶液各4.00 mL，按照實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的結(jié)果見表1和圖4。

由表1可知，智能手機(jī)與人眼目測(cè)反應(yīng)體系褪色所需的時(shí)間差異較大，這是因?yàn)槿说娜庋蹖?duì)顏色的感知差異，對(duì)反應(yīng)體系褪色的終點(diǎn)判斷不同，一部分人對(duì)反應(yīng)體系褪色終點(diǎn)的感受具有延遲性，一部分人可能有超前性，判斷反應(yīng)褪色終點(diǎn)因人而異，導(dǎo)致每個(gè)人所記錄反應(yīng)體系褪色的時(shí)間與智能手機(jī)所記錄的反應(yīng)體系褪色的時(shí)間有明顯區(qū)別。結(jié)合圖4分析得，控制其他反應(yīng)物的條件不變，改變硫酸的濃度，對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系的影響特別大，在同一濃度草酸溶液下，硫酸的濃度增加，反應(yīng)體系褪色時(shí)間逐漸減少，反應(yīng)速率加快。但是在同一硫酸濃度下，當(dāng)草酸濃度較大時(shí)，隨著草酸濃度的增加，反應(yīng)速率逐漸加快，但是當(dāng)草酸濃度較小時(shí)，反應(yīng)速率反而較快[6]，這種反?，F(xiàn)象與文獻(xiàn)一致，所以結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)褪色不易過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短，選擇反應(yīng)體系中所加入的草酸濃度不宜過(guò)低，硫酸體積為3.00 mL左右。

表1 在不同草酸濃度下硫酸濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)比

注：t0.05表示反應(yīng)體系加入0.05 mol/L H2C2O4溶液，反應(yīng)褪色所需的時(shí)間，其他依次類推。

圖4 不同草酸濃度下硫酸濃度對(duì)褪色時(shí)間的影響

2.2 不同草酸濃度下酸化時(shí)間對(duì)反應(yīng)速率的影響

取KMnO4溶液0.50 mL、H2SO4溶液3.00 mL置于試管中，搖勻，放置不同的時(shí)間后分別加不同濃度的H2C2O4溶液4.00 mL，按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2和圖5。

由表2進(jìn)一步可以證明肉眼觀察的局限性，結(jié)合表2和圖5可知，酸化時(shí)間對(duì)反應(yīng)速率的影響不可忽視，在同一草酸濃度下，隨著酸化時(shí)間的增加，反應(yīng)速率逐漸加快，在酸化300 s后，不同濃度的草酸溶液使高錳酸鉀溶液褪色的時(shí)間基本趨于一致。其中的原因主要可能是在酸性條件下，隨著酸化時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，體系中二價(jià)錳離子逐漸增多，二價(jià)錳離子的催化作用導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，最終以二價(jià)錳離子的催化作用為主[7]。在酸化時(shí)間較短時(shí)，隨著草酸濃度的增加，反應(yīng)速率先加塊后減慢，在酸化時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(大于240 s)，隨著草酸濃度的增加，反應(yīng)速率逐漸加快。因此，結(jié)合有限的課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，建議高錳酸鉀溶液即用即酸化，酸化時(shí)間不可提前過(guò)長(zhǎng)，可提前酸化300 s左右，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

表2 不同草酸濃度下酸化時(shí)間對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)比

圖5 不同草酸濃度下酸化時(shí)間對(duì)褪色時(shí)間的影響

2.3 不同草酸濃度下高錳酸鉀濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

按照試驗(yàn)方法，在4.00 mL不同草酸濃度下試驗(yàn)了不同高錳酸鉀濃度(0.10、0.30、0.50、0.70、1.00mL)對(duì)反應(yīng)速率的影響，結(jié)果見圖6。

從圖6可見，在同一濃度的草酸溶液中，當(dāng)高錳酸鉀溶液濃度增加時(shí)，反應(yīng)體系褪色時(shí)間快慢有所區(qū)別，在低濃度的高錳酸鉀溶液(0.10 mL、0.30 mL)和低濃度的草酸溶液(0.05 mol/L、0.1 mol/L)時(shí)，由于反應(yīng)物溶液濃度均過(guò)小，所以溶液褪色時(shí)間較其高濃度的反應(yīng)物褪色時(shí)間緩慢，因此高錳酸鉀溶液的濃度不宜過(guò)??；同時(shí)，在同一濃度的高錳酸鉀溶液中，草酸溶液濃度增大不利于產(chǎn)物—硫酸鉀、硫酸錳和二氧化碳的擴(kuò)散，當(dāng)草酸溶液濃度增大到一定程度時(shí)，反應(yīng)速率反而變慢[8]。當(dāng)高錳酸鉀溶液體積從0.50 mL增加至1.00 mL時(shí)，溶液褪色時(shí)間變化不大，建議在課堂的有限時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)選擇高錳酸鉀溶液的體積為0.50 mL左右較為適宜。

圖6不同草酸濃度下高錳酸鉀濃度對(duì)褪色時(shí)間的影響

3 結(jié)論

隨著反應(yīng)物濃度的增加和酸化時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)速率基本都是加快，但是在酸性較大的高錳酸鉀溶液與草酸溶液的反應(yīng)體系中，草酸溶液濃度越小，反應(yīng)速率越快。結(jié)合課堂有限教學(xué)時(shí)間內(nèi)，建議選擇0.01 mol/L KMnO4溶液0.50 mL、4 mol/L H2SO4溶液3.00 mL、酸化300 s左右后立即分別加入不同濃度的H2C2O4溶液各4.00 mL進(jìn)行試驗(yàn)。

在這個(gè)信息化的時(shí)代下，智能手機(jī)基本人手一部，而且被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在智能手機(jī)中隱藏著很多不同的傳感器，如重力傳感器、溫度傳感器、距離傳感器、光線傳感器等，而且智能手機(jī)中有一些傳感器的App與之對(duì)應(yīng)?；趥鞲屑夹g(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是以傳感器為核心工具，與信息技術(shù)相整合，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、直觀顯示以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形化[9]。有望把智能手機(jī)傳感技術(shù)應(yīng)用于各類教育領(lǐng)域中，如中學(xué)、大學(xué)等的化學(xué)、物理和生物實(shí)驗(yàn)中，既豐富了教學(xué)工具，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性、準(zhǔn)確性與科學(xué)性，又體現(xiàn)教育教學(xué)的現(xiàn)代化與信息智能化，激發(fā)了學(xué)術(shù)的實(shí)驗(yàn)興趣。