張澄澄 李德前 凌一洲 高 昊

一、研究背景

化學(xué)反應(yīng)速率，包括化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣速率，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要意義的概念之一。以現(xiàn)階段的中學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)很難直接測(cè)得化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣速率，通常只是用反應(yīng)物的物質(zhì)的量濃度的變化除以時(shí)間，求得化學(xué)反應(yīng)的平均速率。

目前，測(cè)量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣速率的方法主要可分為化學(xué)法、物理法、流動(dòng)法[1-3]。化學(xué)法是指用化學(xué)分析的方法(容量法或重量法)，測(cè)定不同時(shí)間的反應(yīng)物濃度，進(jìn)而計(jì)算反應(yīng)物在單位時(shí)間內(nèi)消耗的物質(zhì)的量，按化學(xué)方程式系數(shù)比例推算產(chǎn)氣速率。物理法是指通過測(cè)定反應(yīng)過程中混合體系(反應(yīng)物和生成物)某些與濃度有關(guān)的物理性質(zhì)隨時(shí)間的變化(例如氣體體積隨時(shí)間的增加)，獲得一些原位反應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而得到動(dòng)力學(xué)曲線(氣體體積隨時(shí)間變化的圖像)。流動(dòng)法是指把化學(xué)反應(yīng)生成的氣體通過恒溫且橫截面積已知的容器，測(cè)量氣體通過的流速，間接地測(cè)量氣體體積。

在兼顧物理法與流動(dòng)法的基礎(chǔ)上，本文提出一種新的測(cè)量思路—流量法，并以掛壁式產(chǎn)氣速率測(cè)量?jī)x為例展開介紹。

掛壁式產(chǎn)氣速率測(cè)量?jī)x需要實(shí)現(xiàn)的功能是，非接觸地測(cè)量液體(濃度恒定)與固體反應(yīng)時(shí)生成氣體的速率，例如測(cè)量稀硫酸與鋅片反應(yīng)時(shí)生成氫氣的速率。

二、裝置介紹

掛壁式產(chǎn)氣速率測(cè)量?jī)x是一種基于圖像識(shí)別法測(cè)量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣速率的裝置。該裝置與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同，一是要保持反應(yīng)物溶液(例如稀硫酸)的濃度恒定，不能因?yàn)榉磻?yīng)消耗而不斷降低(例如用pH傳感器測(cè)量稀硫酸濃度的變化)，造成測(cè)量誤差；二是生成氣體(例如氫氣)的體積采用非接觸測(cè)量，而不采用傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量(例如用排水法把氫氣導(dǎo)入倒置的量筒后測(cè)量)，避免干擾反應(yīng)進(jìn)程。

圖1是掛壁式產(chǎn)氣速率測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括反應(yīng)腔體3、扁平容器2、掛板1以及后置管路系統(tǒng)。反應(yīng)腔體3橫截面為直角梯形，蓋子位于豎直面，并做過防滲漏處理。

扁平容器2的上下兩邊采用對(duì)稱六邊形，中間與反應(yīng)腔體3連接，扁平容器2上下兩端各有一孔分別為出水口5和進(jìn)水口4，與后面掛板1和后置管路系統(tǒng)接通。

掛板1為長(zhǎng)方形，其上部開有兩個(gè)小孔，可接掛線懸掛于墻壁，它的兩邊各安裝有補(bǔ)光燈6，側(cè)邊裝有微調(diào)旋鈕7，微調(diào)旋鈕7通過精密螺紋連接可調(diào)節(jié)扁平容器2的厚度。

后置管路系統(tǒng)包括出水口、多個(gè)閥門，2個(gè)微型泵、多根引流管，兩個(gè)儲(chǔ)液罐，進(jìn)水口，出水口與微型泵通過引流管連接，引流管分為兩股，連接兩個(gè)儲(chǔ)液罐，兩股上面各裝有閥門，兩個(gè)儲(chǔ)液罐下部連接的兩個(gè)引流管匯成一股，兩個(gè)引流管上也對(duì)應(yīng)裝有閥門，在兩個(gè)儲(chǔ)液罐底下各裝有一個(gè)排液管和閥門，兩個(gè)儲(chǔ)液罐之間通過引流管和閥門連接，最終匯合成一股，引流管與微型泵連接，微型泵通過引流管與進(jìn)水口連接。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

三、工作原理

參見裝置后視圖，在右側(cè)儲(chǔ)液罐12中裝有反應(yīng)溶液，反應(yīng)溶液通過引流管8進(jìn)入微型泵18，微型泵18將液體輸送到進(jìn)水口4，在進(jìn)水口4中反應(yīng)溶液流向反應(yīng)腔體3中，反應(yīng)后液體流向出水口5，通過出水口5流入微型泵9中，微型泵9將液體輸送到左側(cè)的儲(chǔ)液罐12中，左側(cè)儲(chǔ)液罐12可打開閥門13與右側(cè)儲(chǔ)液罐12交互，此時(shí)完成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可打開閥門16或閥門17，通過排液管排出廢液或?qū)?chǔ)液罐12拆卸下來清潔處理。

參見裝置主視圖，扁平容器2上部的六邊形空間均為透明可視的。打開反應(yīng)腔體3的蓋子，可向其中加入反應(yīng)的固體顆粒物(如鋅片)，儲(chǔ)液罐12內(nèi)可加入反應(yīng)溶液(如稀硫酸)。氣體產(chǎn)生后，被扁平容器2的形狀“壓扁”，呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)近似圓柱形的空腔體(其高度很小)，并受到浮力而上升。用高清攝像機(jī)每隔一小段時(shí)間(t秒)拍攝扁平容器2的上部，拍攝視野的寬度大于扁平容器2的寬度，拍攝視野的高度為氣泡經(jīng)歷t秒后平均上升的高度。利用圖像識(shí)別技術(shù)，可以測(cè)量氣泡圓柱體的橫截面積S；通過微調(diào)旋鈕的調(diào)節(jié)，可以控制扁平容器2的厚度h；這樣，某一小段時(shí)間(t秒)內(nèi)生成氣體的體積為Sh，生成氣體的速率為Sh/t，進(jìn)而通過化學(xué)方程式系數(shù)的換算，可以輕松地得到化學(xué)反應(yīng)速率。

此外，扁平容器2兩端安裝有補(bǔ)光燈6，增強(qiáng)了圖像識(shí)別的效果，也便于觀察者觀察。微型泵9，18通過電位器連接計(jì)算機(jī)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)反應(yīng)速率的變化調(diào)節(jié)，讓反應(yīng)溶液持續(xù)、緩慢地流動(dòng)，確保與固體反應(yīng)物接觸的溶液濃度恒定。

四、操作方法

本文以測(cè)量“某濃度的稀硫酸與鋅片反應(yīng)”的速率為例，介紹本裝置的操作方法。首先，在右側(cè)儲(chǔ)液罐12中加入反應(yīng)溶液—某濃度的稀硫酸，在反應(yīng)腔體3中加入反應(yīng)固體—鋅片，把微型泵9，18連接電位器與計(jì)算機(jī)。接著，打開補(bǔ)光燈6，用高清攝像機(jī)拍攝扁平容器2，并把圖像傳給計(jì)算機(jī)。然后，依次打開閥門17、閥門10(如有必要，可在左側(cè)儲(chǔ)液罐中補(bǔ)充濃度較高的硫酸，調(diào)節(jié)濃度到原定值后，打開閥門13構(gòu)成循環(huán))，調(diào)節(jié)微型泵9，18控制反應(yīng)溶液流量。最后，用計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像中的氣泡面積，自動(dòng)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的氣泡生成速率，推導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)速率。測(cè)量結(jié)束后，打開閥門14，15排出廢液或?qū)?chǔ)液罐12拆下清洗，將反應(yīng)腔內(nèi)的反應(yīng)殘?jiān)钩觥?/p>

五、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)利用一種掛壁式產(chǎn)氣速度測(cè)量?jī)x測(cè)量液體與固體反應(yīng)生成氣體的速率，有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)可以非接觸地測(cè)量化學(xué)反應(yīng)生成的氣體體積，避免干擾反應(yīng)進(jìn)程。(2)反應(yīng)溶液不停地流動(dòng)，保證與反應(yīng)物固體接觸的溶液濃度恒定，降低誤差。(3)反應(yīng)腔體內(nèi)可自由放置固體顆粒物，采用倒梯形可使顆粒物均勻集中。(4)扁平容器厚度較小，其厚度可通過微調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)，可以把氣泡“壓扁”為合適的高度，便于圖像識(shí)別并計(jì)算反應(yīng)氣體的體積。(5)儲(chǔ)液罐可拆卸、易清洗，儲(chǔ)液罐底下裝有排液管，方便排出廢液。