徐守兵

摘要：應(yīng)用DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從多角度設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)速率測定的定量實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用不同傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，分別作出精準(zhǔn)可信的定量分析曲線，從曲線斜率的角度測定化學(xué)反應(yīng)的平均速率、瞬時(shí)速率，建立相對(duì)完整的化學(xué)反應(yīng)速率概念體系。

關(guān)鍵詞：DIS;化學(xué)反應(yīng)速率;曲線;定量

文章編號(hào)：1008-0546（2020）09-0068-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、問題的提出

化學(xué)反應(yīng)速率是認(rèn)識(shí)化學(xué)的重要基礎(chǔ)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中均有重要作用。學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率概念的理解一般經(jīng)歷三個(gè)階段，即：感性認(rèn)識(shí)（初三）→定性了解（高一）→定量了解（高二）。高二新課程選擇性必修課程《模塊1：化學(xué)反應(yīng)原理》“主題2：化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”要求學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法，了解測定化學(xué)反應(yīng)速率的簡單方法。通過實(shí)驗(yàn)探究，了解溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。為此，人教版教材在“第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率”中安排了下列探究實(shí)驗(yàn)：

【實(shí)驗(yàn)探究】

通過實(shí)驗(yàn)測定并比較下列化學(xué)反應(yīng)的速率：

（1）按圖1所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置。在錐形瓶內(nèi)放入2g鋅粒，通過分液漏斗加入40mL 1mol/L H2SO4溶液，測量并記錄收集10mL H2所用時(shí)間。

（2）如果用4mol/L H2SO4溶液代替1mol/L H2SO4溶液重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，所用時(shí)間會(huì)增加還是減小，請(qǐng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并解釋原因。將測定結(jié)果填入下表，計(jì)算并比較化學(xué)反應(yīng)速率。

實(shí)驗(yàn)的目的是為了定量測定和研究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素。然而，學(xué)生們根據(jù)已有的化學(xué)反應(yīng)速率的認(rèn)知很容易推測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)質(zhì)的探究性，往往難以調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的積極性;另外，由于注射器一般存在不均衡的摩擦力，體積測定誤差有時(shí)也較大。因此，筆者在教學(xué)中引入DIS（“Digital Information System”的縮寫）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)富有探究性的化學(xué)反應(yīng)速率測定實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，繪出精準(zhǔn)可信的直觀圖形，然后充分利用數(shù)學(xué)、物理相關(guān)知識(shí)分析曲線的斜率，從而定量測出化學(xué)反應(yīng)的平均速率和瞬時(shí)速率，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的探究性，注重不同學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生精準(zhǔn)的定量思維，加深對(duì)概念的理解，形成相對(duì)完整的化學(xué)反應(yīng)速率概念體系。

二、定量實(shí)驗(yàn)研究

化學(xué)反應(yīng)速率是通過實(shí)驗(yàn)測定的?；瘜W(xué)反應(yīng)中發(fā)生變化的是體系中的化學(xué)物質(zhì)（包括反應(yīng)物和生成物），所以與其中任何一種化學(xué)物質(zhì)的濃度（或質(zhì)量）相關(guān)的性質(zhì)在測量反應(yīng)速率時(shí)都可以加以利用，包括釋放出氣體的體積、體系的壓強(qiáng)、顏色的深淺、導(dǎo)電能力、溶液的pH等。而這些物理量借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都可以實(shí)時(shí)、可視、定量的測定。為便于研究，將實(shí)驗(yàn)改為測量碳酸鈣和不同濃度鹽酸反應(yīng)的速率。

1.實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：pH傳感器、壓力傳感器、CO2濃度傳感器及配套塑料瓶、滴數(shù)傳感器及配套塑料管、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、矮試管（10mL、2支）、錐形瓶（100mL、2只）等。

實(shí)驗(yàn)藥品：碳酸鈣、不同濃度的鹽酸、飽和碳酸氫鈉溶液。

2.分組實(shí)驗(yàn)方案及步驟

（1）方案1鹽酸濃度一時(shí)間圖的測定。

1）組裝儀器：將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（pH=2、4）反應(yīng)的pH-t曲線，裝置見圖2。

①在兩支相同矮試管中分別加入0.5g碳酸鈣粉末，并同時(shí)分別加入5mL pH=2、5mL pH=4的鹽酸;②同時(shí)插入pH計(jì);③采集數(shù)據(jù);④靜置，約60秒后停止數(shù)據(jù)采集，拆除傳感器，取出pH計(jì)，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與pH-t曲線圖，圖3。

（2）方案2 二氧化碳濃度一時(shí)間圖的測定。

1）組裝儀器：將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、CO2濃度傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應(yīng)的c（CO2）-t曲線，裝置見圖4。

①在兩只塑料瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時(shí)分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時(shí)插入CO2濃度傳感器，并塞緊傳感器活塞，靜置;③采集數(shù)據(jù);④靜置，約60秒后停止數(shù)據(jù)采集，拆除傳感器，取出CO2濃度傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與c（CO2）-t曲線圖，圖5。

（3）方案3 氣體壓強(qiáng)-時(shí)間圖的測定。

1）組裝儀器：將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定碳酸鈣粉末與不同濃度鹽酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反應(yīng)的p-t曲線，裝置見圖6。

①在兩只相同錐形瓶中分別加入1g碳酸鈣粉末，并同時(shí)分別加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的鹽酸;②同時(shí)插入壓力傳感器，并塞緊傳感器活塞，關(guān)閉導(dǎo)氣孔，靜置;③采集數(shù)據(jù);④靜置，約200秒后停止數(shù)據(jù)采集，打開導(dǎo)氣孔，拔出活塞，取出壓力傳感器，用蒸餾水沖洗干凈;⑤整理數(shù)據(jù)與p-t曲線圖，圖7。

（4）方案4 氣體體積-時(shí)間圖的測定

1）組裝儀器：將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)傳感器連接好，打開Logger Pro 3.8.6軟件;

2）測定0.5mol/L鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的V-t曲線，裝置見圖8。

①在錐形瓶中加入適量塊狀碳酸鈣，并將裝有10mL 0.5mol/L鹽酸的矮試管小心放入錐形瓶中;②在豎直雙通管中加滿飽和NaHCO3溶液，并塞緊錐形瓶上的活塞，打開滴管下方的開關(guān)，至無液體滴下;③將錐形瓶傾斜，使試管中鹽酸倒入瓶中，同時(shí)打開滴數(shù)傳感器，采集數(shù)據(jù);④待豎直管中液體快滴完時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉滴管的開關(guān);⑤整理數(shù)據(jù)與V-t曲線圖，圖9。

3.數(shù)據(jù)處理與分析

（1）依據(jù)反應(yīng)速率概念，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

化學(xué)反應(yīng)速率一般用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物或生成物的濃度變化來表示，為便于交流，測量化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)，需要將上述pH、壓強(qiáng)、氣體體積等體系性質(zhì)隨時(shí)間的變化曲線換算為鹽酸濃度隨時(shí)間的變化曲線。而這些不難通過Logger Pro 3.8.6軟件數(shù)據(jù)處理目錄中的新計(jì)算欄函數(shù)設(shè)置進(jìn)行換算，如將pH換算為c（H+）時(shí)輸入“10”（-“pH”）”表達(dá)式，即可將圖3鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的pH-t曲線圖轉(zhuǎn)換為圖10鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的c（H+）-t曲線圖。

（2）融合相關(guān)理科知識(shí)，分析圖像化學(xué)含義

在分析化學(xué)問題時(shí)，常會(huì)運(yùn)用反映相關(guān)量變化關(guān)系的圖像。在結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理定性、定量分析圖像時(shí)，既要充分彰顯化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，又要充分應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理等相鄰理科的已有知識(shí)進(jìn)行全面多樣化的分析，充分體現(xiàn)科學(xué)知識(shí)獲得的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)知識(shí)應(yīng)用的融合性。從c（H+）-t曲線圖上測定用c（H+）變化表示的反應(yīng)速率，在時(shí)段△t內(nèi)計(jì)算出濃度差與時(shí)段的商△c/△t得到這一時(shí)段的平均速率v，它相當(dāng)于濃度-時(shí)間曲線圖上對(duì)應(yīng)時(shí)段割線的斜率。當(dāng)所選用的時(shí)段越來越短，最后割線就變成切線，切線的斜率即瞬時(shí)速率，相當(dāng)于△t趨近0時(shí)平均速率的極限值，圖11。

（3）發(fā)揮軟件計(jì)算功能，測定化學(xué)反應(yīng)速率

Logger Pro 3.8.6軟件帶有良好的數(shù)據(jù)處理功能，且有友好的操作界面，只需在c（H+）-t曲線圖上選取需要的時(shí)間段，如4s-12s，然后選擇“statistics”，曲線圖上會(huì)顯示系列數(shù)據(jù)供選擇使用，如起始、終止時(shí)刻c（H+）及△c（H+）等。讀取pH=2的鹽酸此時(shí)段內(nèi)△c（H+） =0.00163mol/L，pH=4的鹽酸此時(shí)段內(nèi)△c（H+） =4.83×10-5mol/L?？梢苑謩e求算出不同濃度的鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)的割線斜率，即此時(shí)段的平均反應(yīng)速率，圖12。

從曲線圖上測定瞬時(shí)速率更加方便，只要選擇切線圖標(biāo)“tangent”，然后將鼠標(biāo)放到某時(shí)刻，如放在Os時(shí)刻，曲線圖上自動(dòng)同時(shí)顯示兩條曲線此時(shí)刻的斜率：“c2（H+）Slope：-0.00315： cl（H+）Slope： -5.02E-005”，表示pH=2、4的鹽酸與碳酸鈣粉末反應(yīng)的起始反應(yīng)速率分別為0.00315mol/（L·s）、5.02×10-5mol/（L·s），圖130

又如，將鼠標(biāo)放在8s時(shí)刻，可以測定此時(shí)的瞬時(shí)反應(yīng)速率分別為0.000194mol/（L·s）、5.897×10-6mol/（L·s），圖14。

三、數(shù)學(xué)化實(shí)驗(yàn)研究啟示

基于DIS進(jìn)行的“化學(xué)反應(yīng)速率測定”多角度定量實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)具有一定的啟示意義。

1.有助于提高定量測定實(shí)驗(yàn)的精度

化學(xué)的特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)。這樣的學(xué)科特征決定化學(xué)在注重學(xué)科經(jīng)典的同時(shí)，始終要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，不斷與新科技、新發(fā)現(xiàn)相結(jié)合。這就要求我們要不斷學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)新成果，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)方法。當(dāng)今是數(shù)字化時(shí)代，DIS是將計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)手段，除具有便攜、直觀、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)外，精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使其做出的定量分析結(jié)果更科學(xué)、可信，有助于提高許多中學(xué)定量測定實(shí)驗(yàn)的精度，如反應(yīng)熱的測定、滴定分析等。

2.有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力

利用DIS對(duì)一些實(shí)驗(yàn)效果不佳的傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮突瘜W(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)選擇合適的傳感器，例如，化學(xué)反應(yīng)速率的測定，有的反應(yīng)可以選擇傳感器能直接測量的性質(zhì)，如c（CO2）、pH、色度等，有的反應(yīng)則需要將體系的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如根據(jù)電導(dǎo)率的變化測定乙酸乙酯水解反應(yīng)的速率等。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，要結(jié)合傳感器的量程和使用特點(diǎn)，優(yōu)化反應(yīng)的條件、調(diào)節(jié)試劑的濃度和體積、設(shè)計(jì)組裝與傳感器配套的輔助實(shí)驗(yàn)裝置等。如本課題研究方案1中，pH傳感器的量程決定了只能使用很稀的鹽酸;方案2、方案3中，壓力傳感器、CO2氣體濃度傳感器要求形成固定體積的密封反應(yīng)體系，必須注意實(shí)驗(yàn)的安全;方案4，巧妙地利用液體滴數(shù)傳感器來測定反應(yīng)生成氣體的體積，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)具有科學(xué)探究的創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)驗(yàn)開始前將一個(gè)裝有鹽酸的矮試管放入已有碳酸鈣的錐形瓶，保證了實(shí)驗(yàn)過程中體系的密封性;用一個(gè)裝有飽和碳酸氫鈉溶液的豎直雙通管代替教材中的注射器，化解了器壁摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響，選用飽和碳酸氫鈉溶液代替水防止了因CO2溶解對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響;利用滴數(shù)傳感器精準(zhǔn)記錄反應(yīng)時(shí)滴下液體的滴數(shù)，結(jié)合相應(yīng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)獲得每滴液體的體積（0.04mL），將反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積轉(zhuǎn)化為流出液體的滴數(shù)，再通過數(shù)據(jù)采集器還原為氣體體積。整個(gè)探究過程中，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和記錄、使用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行解釋、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等等，整個(gè)小組同學(xué)相互合作，從實(shí)驗(yàn)問題出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的發(fā)展。

3.有助于深化對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的理解

結(jié)合本研究展開的化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)，從感性認(rèn)識(shí)到定性描述，再到平均反應(yīng)速率、瞬時(shí)反應(yīng)速率的定量表述，體現(xiàn)出化學(xué)知識(shí)有一定的理論高度，也為將來學(xué)習(xí)速率方程打下一定的學(xué)科基礎(chǔ)。運(yùn)用割線或切線的斜率進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)速率的概念教學(xué)，一方面可以加深學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的理解，同時(shí)還注重?cái)?shù)學(xué)、物理等已有相關(guān)知識(shí)的融合，有助于學(xué)生能從多角度、動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化，形成并發(fā)展變量控制的實(shí)驗(yàn)思想，深化對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的理解。

4.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究已然在路上

結(jié)合本研究，在施教的2個(gè)班109名同學(xué)中做了一次無記名問卷調(diào)查，調(diào)查表明，我校目前主要在物理、化學(xué)、生物課程中使用了數(shù)字化教學(xué)儀器;82%的同學(xué)認(rèn)為使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式（可多選）是教師課堂演示，85%的同學(xué)認(rèn)為進(jìn)行了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，15%的同學(xué)在課外興趣小組或研究性課題研究中使用過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器;78%的同學(xué)愿意進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí);51%的同學(xué)愿意使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)的理由（可多選）為可以加深對(duì)知識(shí)的理解，77%的同學(xué)認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更簡便;44%的同學(xué)認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)真正符合探究式學(xué)習(xí)要求，49%的同學(xué)認(rèn)為基本符合;55%的同學(xué)認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不完全符合探究式學(xué)習(xí)要求的主要原因是時(shí)間不夠，18%的同學(xué)認(rèn)為是儀器操作不便;67%的同學(xué)認(rèn)為課任老師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)很熱心，愿意開展教學(xué)活動(dòng)，32%的同學(xué)認(rèn)為老師積極性很一般，只在公開課教學(xué)時(shí)展示一下;72%的同學(xué)認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)課程應(yīng)該常態(tài)化，和常規(guī)實(shí)驗(yàn)一樣，20%的同學(xué)認(rèn)為應(yīng)該在課外興趣小組學(xué)習(xí)中開展。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究已然在路上，讓我們與時(shí)俱進(jìn)吧。