顧仲良 周學(xué)工

摘要：指示劑溴百里香酚藍(lán)（BTB）溶液的變色范圍正好處于H2C03溶液濃度變化的區(qū)間，利用在不同C0²氣體壓強(qiáng)下，指示劑顏色變化的快慢，結(jié)合智能手機(jī)光傳感器技術(shù)手段或多媒體照片RGB編碼技術(shù)手段，采集并導(dǎo)出指示劑顏色變化產(chǎn)生的光學(xué)數(shù)據(jù)，繪制與H²C0³濃度變化相關(guān)聯(lián)的光學(xué)數(shù)據(jù)變化曲線，來(lái)探索研究C02氣體壓強(qiáng)對(duì)二氧化碳與水生成碳酸反應(yīng)速率的影響。

關(guān)鍵詞：壓強(qiáng);反應(yīng)速率;溴百里香酚藍(lán);光傳感器;吸光度

文章編號(hào)：1008-0546（2020）04-0093-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.025

壓強(qiáng)是影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素之一，人教版和蘇教版教材中都沒有通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探索壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率影響，而是直接進(jìn)行圖示分析和本質(zhì)解釋[1，2]。很多化學(xué)同行也有較多對(duì)此實(shí)驗(yàn)的研究，王井明[3]老師通過(guò)空氣壓強(qiáng)對(duì)熏香火星的變化來(lái)研究壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響，但熏香火星變化在瞬間，不易使學(xué)生視覺捕獲。王敬義、李雙、霍愛新[4]提出利用壓強(qiáng)傳感器與酸度傳感器結(jié)合，探究壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響，所需硬件條件和技術(shù)條件要求過(guò)高，而尚未配備手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝備的高中學(xué)校難于實(shí)現(xiàn)?；谝陨弦蛩?，開發(fā)利用H²CO³指示劑溴百里香酚藍(lán)來(lái)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)手機(jī)App軟件PHYPHOX的光感強(qiáng)度變化曲線或數(shù)碼照片RGB值吸光度變化曲線，來(lái)探究CO²氣體壓強(qiáng)對(duì)CO²（g）+H²0（1） H²CO³（aq）反應(yīng)速率的影響。

一、實(shí)驗(yàn)原理

1.溴百里香酚藍(lán)

溴百里香酚藍(lán)（Bromothmol blue，縮寫B(tài)TB）是一種白色晶體，別名溴麝香草酚藍(lán)，分子式C²⁷H²⁸Br²0⁵S，分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

溴百里香酚藍(lán)是一種小范圍精密酸堿指示劑，其變色范圍為pH值6.0～7.6，堿性呈藍(lán)色，酸性呈黃色，過(guò)渡態(tài)呈綠色（見圖2）。生物學(xué)中常用于植物種子或微生物在水中呼吸作用產(chǎn)生的微量CO²氣體的檢測(cè)，因其生成的H²CO³濃度的大小正好影響其變色，當(dāng)呼吸作用產(chǎn)生少量CO²時(shí)，溶液由藍(lán)變綠，當(dāng)呼吸作用產(chǎn)生CO²量增大時(shí)，溶液由綠變黃，以此來(lái)證明生物體的生命活躍程度。

2.App：PHYPHOX

PHYPHOX是德國(guó)亞琛T業(yè)大學(xué)的學(xué)者基于手機(jī)白帶或外掛傳感器開發(fā)的一款軟件，可通過(guò)智能手機(jī)測(cè)量加速度、角速度、光強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、氣壓、聲音的振幅和頻率等29種物理量，還可以多個(gè)傳感器模塊化組合，研究更為復(fù)雜的物理現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖表或數(shù)字的形式呈現(xiàn)，并可以EXCEL等多種格式導(dǎo)出為電腦文件。本實(shí)驗(yàn)中借助智能手機(jī)的光傳感器，利用可見光透過(guò)不同顏色溶液后光線強(qiáng)度的變化（本實(shí)驗(yàn)中為增強(qiáng)）來(lái)說(shuō)明H2C03濃度的變化。

3.RGB值吸光度

多媒體數(shù)碼照片格式常用RGB標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表達(dá)每一點(diǎn)像素，通過(guò)R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三種顏色通道相互之間的比例疊加來(lái)得到一千六百七十多萬(wàn)種不同的顏色（32位處理系統(tǒng)）。肉眼對(duì)數(shù)碼照片顏色的觀察也是通過(guò)屏幕顯示光的波長(zhǎng)不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以RGB值與光的波長(zhǎng)是有函數(shù)關(guān)系的，即可以簡(jiǎn)單地用RGB三個(gè)中的任意一個(gè)值的變化（通常選擇干擾小的、變化明顯的）來(lái)表示吸光度（A）變化，換算公式如下： A=-log（Iⁿ/I⁰） 10、Iⁿ分別表示初始溶液照片和樣品反應(yīng)過(guò)程中照片取若干個(gè)像素點(diǎn)的RGB中的一個(gè)值的平均數(shù)（本實(shí)驗(yàn)中G值變化最為明顯）。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

（1）藥品：溴百里香酚藍(lán)（天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司），1%稀氨水，蒸餾水，二氧化碳?xì)怏w，某品牌無(wú)色汽水。

（2）儀器：lOOmL注射器，lOOmL圓底燒瓶，橡皮塞，Y形試管，移液管，膠頭滴管，裝有安卓系統(tǒng)及PHYPHOX軟件的智能手機(jī)，LED手電筒，黑色紙片。

2.實(shí)驗(yàn)操作與步驟

（l）溴百里香酚藍(lán)水溶液的配制

取0.5g溴百里香酚藍(lán)晶體，溶解于煮沸過(guò)的500mL蒸餾水中，待溶解后用濾紙過(guò)濾去不溶性殘?jiān)?，滴?滴1%的稀氨水，使溶液呈藍(lán)色，保存于棕色試劑瓶中，可長(zhǎng)期使用[5]。

（2）用智能手機(jī)光感應(yīng)器測(cè)試透光性

在一支圓底燒瓶中注入30mL溴百里香酚藍(lán)水溶液，塞緊橡皮塞，半傾斜式置于事前制作好的空心黑紙質(zhì)網(wǎng)筒上，并用鐵夾固定。打開置于燒瓶上方的LED手電筒，關(guān)閉室內(nèi)光源，將智能手機(jī)的PHYPHOX打開后放置于空心網(wǎng)筒底部，僅在紙筒內(nèi)露出光感應(yīng)器接受光線，避免屏幕光線影響光感應(yīng)器（如圖3）。

用注射器向燒瓶中注入15mL CO²氣體，觀察溶液的顏色變化。七分鐘后停止實(shí)驗(yàn)，取出手機(jī)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另取一支同批號(hào)的圓底燒瓶，加裝試劑后，微調(diào)燒瓶與紙筒的位置，使手機(jī)顯示的光感值與前一次實(shí)驗(yàn)初始時(shí)的光感值盡量接近，然后注入30mL CO²氣體，反應(yīng)相同的時(shí)間，觀察顏色變化并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從手機(jī)上導(dǎo)出兩次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以EXCEL格式生成文檔，傳輸?shù)诫娔X上，刪除初始調(diào)節(jié)儀器時(shí)的無(wú)效數(shù)據(jù)，兩次反應(yīng)各獲得6288個(gè)有效數(shù)據(jù)，對(duì)每lOs內(nèi)的約124個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，各得到43個(gè)每lOs變化的平均值，用EXCEL軟件繪制成曲線（如圖4），進(jìn)行對(duì)比分析。

（3）透光性變化曲線的分析

從圖像中可以看到，充入30mL C0²氣體的透光性增強(qiáng)的比充入15mL CO²氣體的要明顯，說(shuō)明CO²氣體壓強(qiáng)越大，溶液PH值下降地更快，溶液的顏色更快地由透光性弱的藍(lán)色向透光性強(qiáng)的綠色和黃色變化。以此可以證明增大CO²氣體的壓強(qiáng)，產(chǎn)生H²CO³的速率就越快，即加快了CO²（g）+H²O（l） H²CO³（aq）反應(yīng)的速率。

（4）利用RGB值繪制吸光度變化曲線

取兩支相同批號(hào)的Y形試管，分別在一個(gè)分支管中，用移液管或較長(zhǎng)的膠頭滴管各注入2mL溴百里香酚藍(lán)水溶液，塞緊橡皮塞。用較長(zhǎng)的膠頭滴管分別向另一個(gè)支管中各注入2mL、4mL某品牌無(wú)色汽水，觀察溶液的顏色變化快慢，并用手機(jī)或其他攝錄設(shè)備錄下兩個(gè)Y形試管中的溶液顏色變化，注意兩個(gè)Y形試管要置于光線對(duì)等位置攝錄（如圖5），Smin后停止實(shí)驗(yàn)。

把視頻文件導(dǎo)入電腦，用播放軟件打開視頻，暫停視頻在未注入CO²時(shí)，用QQ、360瀏覽器等截圖軟件或?qū)Ｓ肦GB屏幕取色軟件（PIEXL等），讀取兩個(gè)試管中顏色RGB值中的G值，每個(gè)支管中點(diǎn)取顏色最清晰的五個(gè)像素，輸入EXCEL表格中，求取平均值作為Io。然后每lOs暫停一次，用相同的方法獲取G值作為In，根據(jù)公式獲得各31個(gè)吸度光（A）值，并用EXCEL繪制吸光度變化曲線（如圖6）。

（5）吸光度變化曲線的分析

從圖像可以看出，放入4mL汽水的Y形試管中，汽水釋放的CO：氣體要多，容器內(nèi)的壓強(qiáng)比放入2mL汽水的Y形試管中要大，而溴百里香酚藍(lán)溶液更快地從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，最后轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，所以溶液的吸光度下降明顯要快。證明了增大CO²氣體的壓強(qiáng)可以使產(chǎn)生H²CO³的速率加快，即加快了CO²（g）+H²O（l） H²CO³（aq）反應(yīng)的速率。在實(shí)驗(yàn)后期，吸光度比較接近，可能是由于溶液吸收的CO²已經(jīng)趨于飽和，所以吸光度數(shù)值比較接近。

三、評(píng)價(jià)與結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)采用生物學(xué)研究中的專用指示劑溴百里香酚藍(lán)，實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的知識(shí)互補(bǔ)，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科研究的意識(shí)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)簡(jiǎn)單易得的裝置，將抽象的理論轉(zhuǎn)化為直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅增加了該理論的說(shuō)服力，而且還培養(yǎng)了學(xué)生測(cè)定數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、解讀數(shù)據(jù)的能力，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)”的核心素養(yǎng)。雖然通過(guò)簡(jiǎn)單的儀器測(cè)量獲得了大量的光學(xué)數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是很粗糙的，獲得的數(shù)據(jù)也存在較大的誤差，如何設(shè)計(jì)更佳的實(shí)驗(yàn)方案，以提高信噪比，減小實(shí)驗(yàn)誤差，才能使實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)更具有科學(xué)性，這也是本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)化的方向。我們通過(guò)現(xiàn)代的科技手段，在學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，配以數(shù)據(jù)化處理，使學(xué)生更能體會(huì)實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的化學(xué)原理，加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王井明.壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2009（12）：26

[4]王敬文，李雙，霍愛新.基于手持技術(shù)探究壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響[J].教育與裝備研究，2019（2）：86-88

[5] 高海元.淺談溴麝香草酚藍(lán)[J].生物學(xué)教學(xué)，2013，38（IO）：63