气体压力传感器在中学化学实验中的应用

何 翔

（无锡市教育研究中心江苏无锡214001）

气体压力传感器在中学化学实验中的应用

何 翔

（无锡市教育研究中心江苏无锡214001）

结合教学实践，总结了气体压力传感器在中学化学实验中的实验案例，着重阐述了其运用的方法、实验案例设计、实验原理，相比传统实验手段的优势及有关的注意事项等，并就传感技术对高考的促进作用提出了自己的看法。

气压传感器；传感技术；中学化学；实验

一、引言

自上世纪末以来,传感技术被引入到我国中学化学教学。由于其具有数据化、图形化、直观化和定量化的特点,使得较多的师范：校和中学的教师对此进行了相关研究。同时一些学校购买了数字化实验仪器,并建立了相关实验室。然而有关的调查研究表明数字化实验在中学化学实验中的发展现状并不乐观,即使一些学校配备了传感技术仪器,也大多处于不用的境地,这其中固然有仪器昂贵难保养、升学考试压力、使用有难度等相关原因,但教师缺乏相关的实验案例资源是很重要的一个原因[1]。

在中学化学实验的教学中,很多化学反应都有气体产生。围绕气体产生的实验研究也有很多。教材研制者和一线教师为了表征气体产生的快慢、大小等设计了多种实验,如比较气球膨胀的快慢和大小,比较针筒、活塞、墨水移动的快慢等。上述实验方案均是通过实验手段的转化进而间接表征研究气体压力的变化。传感技术中的气体压力传感器,结合相应的数据采集器和数据处理软件则能够直接检测封闭体系中压强的变化,并将压强的变化通过计算机显示出来,有助于我们对相关化学反应的研究,提高实验教学和研究的层次和水平。对于如何在中学化学教学中利用气压传感器进行相关的教学和实验研究,目前文献报道还不多,且较为零散。因此笔者结合这几年的教学实践,总结了气压传感器在中学化学教学中的实验案例,着重阐述了其运用的方法、实验原理、相比传统实验手段的优势及有关的注意事项等,并就传感技术对高考的促进作用提出了自己的看法。希望能够对同行有些许的帮助。

二、实验案例设计

1.比较有无催化剂对化学反应速率的影响

利用气体压力传感器监测双氧水分解过程中是否加入催化剂的气压变化情况,形象地说明催化剂的作用。同时该实验还能说明双氧水自然分解时的速率情况。传统的实验手段,由于双氧水自然分解速率较慢,无法观察到。

图1双氧水分解压强变化图

针对二氧化锰催化双氧水反应剧烈,速率较快,不易平缓制取氧气的情况,教师还可设计实验,引导学生利用气压传感器,比较不同曲线的平均斜率和瞬时速率,探究双氧水浓度、水的体积、催化剂的用量对平和、高效制取氧气的影响。

2.碳酸钠与碳酸氢钠的性质比较

人教版教材必修一对碳酸钠和碳酸氢钠性质进行了科学探究,其中之一是碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应,目的是比较两个反应的速率大小。但进行实验时,可发现按照课本上操作,实验现象不明显,并不能明显的观察到气球膨胀的快慢。且实验者也很难同时将气球中粉末倒入盐酸中。利用传感技术实验者可以利用针筒将盐酸注入容器内,使用气压传感器实时检测反应生成二氧化碳浓度的情况,利用“线性拟合”手段可简捷、方便的比较反应的速率差异。

针对人教版该部分实验不仅涉及两者与盐酸反应速率的变化,同时也涉及反应温度的变化,因此也可同时使用压力和温度传感器同时检测两个反应中压强和温度的变化情况。

3.测定乙醇的分子结构

乙醇分子结构测定是旧版人教社高中教材的一个定量实验。采用排水集气法进行实验存在误差较大、操作复杂等问题。由于该实验涉及气体的放出,可采用气压传感器检测乙醇和钠反应过程中压强的变化情况,借助于理想气体方程,求得氢气物质的量,将其与反应物乙醇物质的量进行比较,即可以确定乙醇的结构。

本实验的优点在于传感器的灵敏度非常高,能够减少乙醇和钠的用量,同时实验操作也非常简单,学生操作时即使不成功,也可快速重新加入药品进行实验操作。存在的误差主要在于乙醇的挥发,实验操作时应缩小加热时间。

4.喷泉实验

一些可溶或能溶性气体和相应的物质（如NH3和水,SO2、CO2和NaOH溶液)进行组合时,能够形成喷泉,而在现实教学中,学生对喷泉实验的理解仅限于表面和现象的认识,不能数据化的感受反应压强的变化。采用气体压力传感器,能够实时检测并呈现形成喷泉时压强的变化情况,有助于加强学生对喷泉原理的理解。图2为SO2吸收NaOH溶液所形成的喷泉压强变化图。

图2SO2喷泉压强变化示意图

该实验还可以进行拓展研究,如比较不同喷泉体系压强变化,使学生对各种气体溶解度有比较直观和感性的认识。

5.化学反应速率的测定

课程标准要求学生能够通过实验测定某些化学反应速率,采用气压传感器检测镁与盐酸反应过程中压强的变化情况,利用数据处理软件中“线性拟合”功能对图形进行处理,得出斜率△P/△t,利用如下公式即可以求出用氢气浓度变化量表示的化学反应速率。

反应伴随一定的热效应,会造成误差。因此镁条用量不宜太多,盐酸浓度也不宜太大。笔者利用温度传感器经过多次实验测定反应体系温度情况。发现镁条宜取2cm,盐酸浓度控制在0.5-1mol/L,反应体系的温度变化较小,同时现象明显。

6.比较条件对化学反应速率的影响

可以通过检测等物质的量硫酸铜和氯化铁溶液、等物质的量硫酸铜固体和溶液、不同的pH体系对双氧水催化分解的压强变化情况,借以说明催化剂种类、物质状态、pH等对化学反应速率的影响变化情况。

值得说明的是在反应图形中,可以利用数据处理软件中“线性拟合”和“正切”功能对图形进行处理,可求出该反应相应的平均速率和瞬时速率。传统教学中对“瞬时速率”的教学大都停留于口头讲述。利用“正切”功能可让学生对此有更好的掌握。

7.强弱电解质的比较

人教版教材通过实验等体积等浓度盐酸和醋酸与活泼金属的剧烈程度分析说明两者H+浓度是不同的。笔者在进行实验时发现两者与镁条反应的“剧烈程度”肉眼难以区分,不利于课堂的演示。采用气压传感器监测两者压强变化情况并通过计算机显示出来,使得实验演示效果明显,定性实验定量化。

三、气压传感器应用的注意事项

1.气压传感器在使用的过程中应当注意保持良好的气密性,这就涉及到传感器接口和中学化学实验室传统实验仪器的连接问题。笔者在近几年的实验研究中,使用过多种品牌的传感器,发现目前各种厂家设计的气压传感器分为两类,一类其接口是一个直径约为2-3cm的塑料管,中学实验室只有具支试管与其配套；另一类带有两种不同的圆头接口,150mL、100mL锥形瓶、大试管均可与其相连接。笔者感觉后一种在中学化学实验中应用更为广泛和方便。这同时也要求厂家在设计产品的时候应多考虑中学化学实验的需求。

2.相比其他传感器,教师在指导学生使用气压传感器进行实验的过程中应当格外注意安全问题。教师在设计实验的时候应注意药品和试剂的用量,防止反应体系产生的压强过大使玻璃容器破裂。笔者在研究中发现一般试管大都能承受125kPa左右的压力,而150mL锥形瓶能承受170kpa左右的压强,具支试管在140kpa左右。这是笔者在研究中所得的经验数据,实际数据还要取决于容器的制作材质。

四、传感技术对于高考的促进作用

有关传感技术对于学生探究能力和科学素养的培养所起到的促进作用,相关文献已阐述很多[1][3][4]。笔者在这里针对许多老师认为传感技术对考试帮助不大的观点提出自己的看法。2008年江苏高考题考察了一种新型的图形—双纵坐标图,学生普遍表现出对题型较为陌生,难以下手。针对这种情况,笔者在进行酸碱中和滴定的教学中带领学生利用pH和温度传感器测定酸碱中和过程中pH和温度随体积变化的情况,同时利用传感技术数据处理软件制作pH和温度变化情况随体积变化的双纵坐标图形,极大的增强了学生对该类题型的掌握能力。

查阅近几年的高考试卷,可以发现高考越来越注重对学生读图能力的考察。而学生在利用传感技术进行实验的过程中能够自己设定坐标系（如酸碱中和滴定可将横坐标设成时间或体积),描绘各种曲线的变化（各种强弱酸碱中和),分析图形的各个变化点（如突跃变化点等)和各部分变化趋势。这几年的教学实践证明利用传感技术对于学生识别图象技能的提高是有效的。

传感技术同时还能够提高学生的数据分析和处理、观察和实验、合作等能力,因此笔者相信传感技术在中学的使用和学生考试成绩并不相冲突。教师在教学中合理有效地使用传感技术不仅能够培养学生的探究能力,提高学生科学素养,也有助于学生学业成绩的提高。

[1]眭苏奇.基于手持技术的中学化学实验开发及绩效研究[D].广州：华南师范大学，2008

[2]Seong-JooKang，Eun-HeeRyu.CarbonDioxideFountain. JournalofChemicalEducation，2007，84（10）：1671-1672

[3]王磊，魏锐等.传感技术—化学实验探究手册[M].北京：北京师范大学出版社，2007

[4]钱扬义，邓峰.数字化化学探究实验室的建设与学生探究能力的培养[J].中国电化教育，2006，（11）：49-52

1008-0546（2011）10-0076-02

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