張盤斌 常國旗 徐立娟
在人教版《化學(xué)(選修4)》化學(xué)反應(yīng)原理中,有“測量鋅與硫酸反應(yīng)速率”的實驗,實驗裝置如圖1所示,從裝置和原理來看十分簡單,實驗過程如圖2所示。
圖1 實驗裝置
圖2 實驗過程
但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)了如下的問題。
問題1:課本中指出該實驗的氫氣發(fā)生裝置是錐形瓶,收集裝置是注射器。因注射器活塞的移動存在阻力,而且錐形瓶的容積較大,因而生成的氣體較少時,氣體的壓力較小,無法推動活塞移動,生成的氣體就會被壓縮在錐形瓶中,使注射器中沒有讀數(shù);但當生成的氣體較多,氣壓增大時,活塞就會跳躍移動,不便于讀數(shù)和計時,使讀出數(shù)據(jù)的誤差較大。
問題2:注射器前端針頭部位比活塞的面積小得多,當產(chǎn)生的氣體較少時,由于壓強作用在很小的面積上,根據(jù)物理學(xué)知識(F=P·S),推力是比較小的,即活塞移動阻力大、推力小,在這種情況下,根據(jù)活塞位置讀出氣體的體積是很難實現(xiàn)的。由于活塞阻力等因素存在,使生成氣體的壓力與標準大氣壓不相等,氣體摩爾體積未知,無法將氣體體積轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的量,因而不能進一步計算消耗硫酸的量,也就無法計算出濃度變化和反應(yīng)速率。
問題3:分液漏斗中的硫酸溶液滴進錐形瓶也會占據(jù)一定的體積,導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體體積偏大,產(chǎn)生誤差;隨著反應(yīng)的進行,錐形瓶中氣體壓力增大,硫酸將無法順利滴入錐形瓶,阻礙了反應(yīng)的持續(xù)進行。
總之,以上這些在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題說明課本中的測定鋅與稀硫酸反應(yīng)速率的實驗在實際操作中是很難實現(xiàn)的,所以筆者結(jié)合前人對該實驗裝置的改進,進一步創(chuàng)新設(shè)計裝置以解決在實踐中發(fā)現(xiàn)的問題。
改進方案1:如圖3所示,錐形瓶規(guī)格為100 mL,試管規(guī)格為10 mm×75 mm。去掉分液漏斗,改雙孔橡膠塞為單孔橡膠塞,用小試管盛放硫酸溶液。實驗時,在小試管上綁上細線將其放入錐形瓶中,蓋上單孔橡膠塞,然后傾斜錐形瓶使硫酸從試管流入錐形瓶(連接導(dǎo)管和注射器的是橡膠軟管,以8 cm左右為宜,便于傾斜錐形瓶),使反應(yīng)發(fā)生。
圖3 改進方案1的實驗裝置
改進方案2:(1)取2支20 mL的注射器,拔下活塞,向其中各放入1粒(約0.5 g)鋅粒,推進活塞至不能推動為止。(2)針頭分別吸入1 mol/L和4 mol/L的硫酸,并立即插入橡膠塞。(3)橫放注射器,在5 mL刻度處開始計時,活塞移至15 mL刻度線時停止計時,比較二者收集10 mL氫氣所用的時間。
改進方案3:改進裝置的實驗原理是通過鋅粒分別與2種不同濃度的硫酸反應(yīng)生成10 mL氫氣所需要的時間長短判斷反應(yīng)速率與物質(zhì)的量濃度之間的關(guān)系。在實驗的過程中,通過分液漏斗向三口燒瓶中滴加適量不同濃度的硫酸,并通過右側(cè)的恒壓裝置將產(chǎn)生的氫氣收集,通過秒表記錄反應(yīng)所需的時間,以此判斷影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素,改進后的裝置如圖4所示[1]。
圖4 改進方案3的實驗裝置
以上是筆者在文獻中查到的前人對該實驗的一些改進方法,每一個改進方案都解決了實驗過程中發(fā)現(xiàn)的部分問題。例如,第一個和第二個改進方案可以解決實驗過程中發(fā)現(xiàn)的第三個問題(見前文中問題3),但注射器收集氣體時,活塞移動存在阻力問題沒有得到解決,氣體被壓縮,物質(zhì)的量無法計算;活塞跳躍移動不便計時和讀數(shù)。第三個改進方案可以解決很多問題(見前文中的問題1和問題2),弊端是液體滴入后占據(jù)體積,使收集到的氣體體積偏大,且裝置復(fù)雜,不易操作。筆者查閱和整理了前人的這些改進方案,在教學(xué)實踐中受到了啟示,重新設(shè)計測定裝置,解決了教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題。
(1)取1支堿性滴定管,在10 mL以下的部分再內(nèi)套1根玻璃管(鋅在玻璃管上,當收集到10 mL氣體時反應(yīng)自動停止)。
(2)去掉堿式滴定管下端的乳膠管和玻璃球,用一根長的乳膠管把堿式滴定管和1根長玻璃管連接起來,組成U形連通器,如圖5所示。
圖5 重新設(shè)計改進后的實驗裝置
(3)在堿式滴定管中加注1 mol/L的硫酸溶液50 mL,調(diào)節(jié)玻璃管的高度使堿式滴定管中的液面剛好達到0刻度線處。
(4)在堿式滴定管中加入2 g鋅粒,迅速塞上塞子,開始計時。隨著反應(yīng)的進行滴定管液面下降,同時調(diào)節(jié)玻璃管使左右液面相平,直到滴定管液面下降至10 mL刻度線時(液面脫離鋅粒反應(yīng)停止時停止計時),液面脫離鋅粒時反應(yīng)停止,計時結(jié)束。測出生成10 mL氫氣時所消耗的時間。
(5)將硫酸的濃度換為4 mol/L,重復(fù)(3)(4)的操作。測出生成10 mL的氫氣時所消耗的時間。
用改進后的裝置實驗時,現(xiàn)象明顯,讀數(shù)容易,氣體摩爾體積常溫常壓(25 ℃,101 kPa)為24.5 L/mol。進而計算反應(yīng)速率。缺點是反應(yīng)時間過長,要在1 mol/L的硫酸溶液中收集到10 mL氣體需要13.5 min,因此不能完成教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)多次實踐發(fā)現(xiàn),鋅不管是和多大濃度的硫酸反應(yīng)都是先慢后快,原因除了反應(yīng)放熱外,還與鋅表面的氧化膜有關(guān)。于是把大小相當?shù)?顆鋅粒同時放在4 mol/L的硫酸溶液里,待反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的速率變快并趨于穩(wěn)定時,取出鋅粒再去完成演示實驗。在1 mol/L的硫酸溶液里收集到10 mL氫氣需要4'24'',在4 mol/L的硫酸溶液里收集到10 mL氫氣時僅需要1'54''。由于實驗裝置簡單,在課堂演示時2組實驗同時進行,既可以進行對比,增強學(xué)生們感性認識,也縮短了實驗時間。
表1 數(shù)據(jù)記錄表
代入數(shù)據(jù)可以計算出:1 mol/L的硫酸溶液中的速率約為0.001 9 mol/(L·min);4 mol/L的硫酸溶液中的反應(yīng)速率約為0.004 3 mol/(L·min)。
(1)實驗裝置簡單易于操作,在實驗條件差的地區(qū)和學(xué)校均可以實現(xiàn)。
(2)解決了反應(yīng)裝置太大,生成的氣體受壓縮而測不到生成氣體體積的問題,也保證了測出的氣體體積在正常大氣壓下,方便氣體摩爾體積的取值,計算氫氣的物質(zhì)的量和消耗硫酸的物質(zhì)的量,進而計算反應(yīng)速率。
(3)消除了注射器活塞的摩擦阻力引起的誤差。
(4)消除了硫酸無法順利滴入和隨硫酸溶液的滴入占據(jù)體積引起誤差的問題。
(5)計時讀數(shù)方便準確,收集到10 mL氣體時,反應(yīng)物自動分離,反應(yīng)停止節(jié)點清楚,現(xiàn)象明顯。
(6)當計時結(jié)束后,反應(yīng)會自動停止,不需要多余的操作,使實驗變得簡單易行,縮短演示實驗的時間,為完成課堂內(nèi)容贏得時間。
筆者對本實驗的改進思路已經(jīng)在教學(xué)實踐中得到應(yīng)用。結(jié)論表明,比課本中的實驗方案更容易操作,希望本文把該方法介紹給更多的教學(xué)同仁,讓他們在教學(xué)實踐中檢驗和完善。