利用传感器技术改善化学反应速率教学

吴蕴

摘 要 利用浊度传感器和氧气传感器分别设计浓度对化学反应速率的影响和催化剂对化学反应速率影响的课堂教学实验，有效改善课堂教学效果

关键词 传感技术；实验；化学反应速率

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）17-0164-03

1 问题的提出

在苏教版普通高中化学教材必修二专题二第一单元和选修模块化学反应原理专题二第一单元中，化学反应速率是用单位时间浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，对影响反应速率的因素的实验教学却较多限于定性比较，与定义比较脱节，而一些定量的实验操作和实验数据处理也比较复杂。同时教材对于化学反应速率中的平均速率和瞬时速率的描述也比较抽象，不利于学生的理解。笔者认为，在中学阶段，学生对于化学反应速率的理解可以是定量的，测量和比较反应速率的方法不一定仅仅通过定性的观察，也可以采用一些简便易行的定量方法。

本文应用新型的传感器技术对化学反应速率的测量方法进行一些尝试，设计了几个实验，定量研究溶液的浓度和催化剂等因素对反应速率的影响，可以有效改善化学反应速率的教学。

2 实验部分

浓度对化学反应速率的影响

1）仪器和药品。仪器：烧杯（50 mL）2个、浑浊度传感器（TRB-BTA）、数据采集器（VENIERLabPro）。药品：Na2S2O3样品，30% H2SO4。

2）实验原理。硫代硫酸钠遇到酸时会生成淡黄色的硫沉淀，使溶液变浑浊。传统方法进行此实验，通常是采用在相同规格的烧杯下放置一张画有“×”字的白纸，通过肉眼观察使此“×”字看不见的时间，比较不同浓度时的反应速率。这里采用浑浊度传感器，测量不同浓度的硫代硫酸钠与酸反应之后的浑浊度变化为反应速率的量度。

Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+ S↓+SO2↑+H2O

3）实验步骤。分别称取0.129 g和0.202 g的Na2S2O3样品，加入40 mL水，制取浓度为0.020 mol/L和0.032 mol/L

的硫代硫酸钠溶液，加入10 mL 10%的浓硫酸进行混合，迅速倒入测量瓶中，插入浑浊度传感器测量两者浑浊度变化。

4）实验图表及结果讨论。图1中横坐标表示反应的时间，纵坐标表示浑浊度的变化，A线代表浓度为0.032 mol/L

的硫代硫酸纳溶液，B线代表浓度为0.020 mol/L的硫代硫酸钠溶液。图中的边框是对它们的统计分析，如最小值、最大值、平均值等。对两者做线性化拟合，得到A线的反应速率为1.429 NTU/秒，B线的反应速率为0.729 NTU/秒（NTU是表示溶液浊度的单位，在这里的化学反应速率采用浑浊度为标准）。

由图1可见，增大硫代硫酸钠溶液浓度，提高了反应速率。而要研究硫酸的浓度对反应速率的影响，则保持硫代硫酸钠溶液的浓度不变，改变硫酸的浓度。

但是在本次实验中可以发现在前60 s时间中，不管浓度高还是低，基本都没有任何反应，而浓度为0.033 mol/L

的反应在55 s时加快反应速率，而浓度低的在110 s左右时加快反应速率，因此，此时对整个反应进行线性化拟合得到的平均速率并不能准确地描述出它们的差异。这里认为瞬时速率更能体现由于浓度的差异而造成的反应速率上的差别。因此，可以采用对图表求斜率的方法来得出某一点的瞬时速率，在实验中点击其中的“正切”按钮，就可以得出它们的瞬时速率。图2为选取60 s和100 s时反应的瞬时速率。

催化剂对反应速率的影响 这里选用二氧化锰催化过氧化氢的分解反应来探究催化剂对反应速率的影响。

1）仪器和药品。仪器：250 mL锥形瓶2个，氧气传感器（O2-BTA），数据采集器（VENIER LabPro）。药品：3% H2O2溶液20 mL，结晶MnO2 6 g。

2）实验原理。二氧化锰催化过氧化氢，生成水和氧气。在这里使用氧气传感器，跟踪测量生成物——氧气的含量。

2H2O2===2H2O+O2↑

3）实验步骤。

①在三个锥形瓶上加注标签1、2、3。在锥形瓶1里加入10 mL 0.5%的H2O2，在锥形瓶2里加入10 mL 0.5%的H2O2、0.05 g的MnO2，在锥形瓶3里加入10 mL 0.5%的H2O2、0.1 g的MnO2。

②将氧气传感器插入锥形瓶中，把数据采集器接到计算机的系列端口上，把气体压力传感器接到LabPro的第一模拟通道，将传感器放于桌上。

③运行LoggerPro软件，LoggerPro自动识别传感器，设置数据参数并显示。

这里采集参数是每秒采样一次并进行2000次采样。程序在微机上将显示一个坐标图和一个数据表格。坐标图的纵轴表示氧气含量，横轴表示0～2000 s的时间点。

④将0.05 g的MnO2倒入锥形瓶2中，0.1 g的MnO2倒入锥形瓶3中，迅速插入氧气传感器，进行采集。

4）实验图表及结果讨论。图3中横坐标表示反应的时间，纵坐标表示氧气含量的变化，C线代表MnO2的用量为0 g的锥形瓶1，B线代表MnO2的用量为0.05 g的锥形瓶2，A线代表MnO2的用量为0.1 g的锥形瓶3。图中的边框是对两者做线性化拟合，得到C线的反应速率为0%/秒，B线的反应速率为0.01143%/秒，A线的反应速率为0.02791%/秒。（在这里的化学反应速率采用氧气的产量为标准。）

由图3可见，加入催化剂能够明显增加化学反应的速率，增大催化剂的用量，也会明显加快反应速率。这是因为反应是在固体催化剂的表面进行，二氧化锰的用量加大时，表面积增大，溶液中的粒子与催化剂表面碰撞的机会增多，所以反应速率增大。

3 实验反思

在本次实验中采用比较先进的传感器技术，在实际运用的过程中感觉到它有以下一些优点。

1）使得测量化学反应速率定量化。学生不仅可以在计算机上直接感受到产物的变化情况，而且在数据采集完成之后，直接采用工具栏上的相关工具对数据进行处理，得出化学反应速率。

2）定性的测量形式更加多样化。传统的测定化学反应速率对于有气体生成的反应大多是通过观察气球的大小或者是用量筒排水法测量生成气体的体积，对于其他的一些测定实验，大都采用肉眼观察的方法。而通过传感器的测量，对于有气体产生的化学反应，可以通过检测放出气体的速率来判断反应进行得快慢；对于有颜色改变或者有有色沉淀物产生时，可以观察它们的浑浊度的变化，也可以检测体系透光率的变化，甚至利用相对应的特殊传感器能够检测出具体特定产物的变化量。

3）有助于学生理解化学反应的平均速率和瞬时速率。学生不仅可以通过对得到的图形进行线性化拟合得出化学反应的平均速率，也可以通过对曲线求斜率（工具中的“正切”按钮）得出化学反应某一点的瞬时速率，更好地帮助学生理解两者之间的差异和联系。

同时在实验的过程中也发现一些问题，比如有些传感器在测量时还不够稳定；在量程上受到限制，需要教师提前准备实验并控制样品量；在将传感器插入时，之前有短暂的反应过程未能监测到，易造成实验误差；以及在气体压力、高温等一些传感器的使用上要注意学生的安全。

参考文献

[1]全日制普通高级中学教科书（必修）：化学（第二册）[M].南京：江苏教育出版社，2006：28-29.

[2]陈瑞芝.对化学反应速率的实验教学研究[J].化学教育，2007（8）：48-49.endprint