基于DIS进行“化学反应速率测定”多角度定量实验研究

徐守兵

摘要：应用DIS数字实验系统，从多角度设计化学反应速率测定的定量实验，应用不同传感器实时采集数据，分别作出精准可信的定量分析曲线，从曲线斜率的角度测定化学反应的平均速率、瞬时速率，建立相对完整的化学反应速率概念体系。

关键词：DIS;化学反应速率;曲线;定量

文章编号：1008-0546（2020）09-0068-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

一、问题的提出

化学反应速率是认识化学的重要基础，对化学反应速率的调控在生产、生活和科学研究中均有重要作用。学生对化学反应速率概念的理解一般经历三个阶段，即：感性认识（初三）→定性了解（高一）→定量了解（高二）。高二新课程选择性必修课程《模块1：化学反应原理》“主题2：化学反应的方向、限度和速率”要求学生知道化学反应速率的表示方法，了解测定化学反应速率的简单方法。通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。为此，人教版教材在“第一节化学反应速率”中安排了下列探究实验：

【实验探究】

通过实验测定并比较下列化学反应的速率：

（1）按图1所示组装实验装置。在锥形瓶内放入2g锌粒，通过分液漏斗加入40mL 1mol/L H2SO4溶液，测量并记录收集10mL H2所用时间。

（2）如果用4mol/L H2SO4溶液代替1mol/L H2SO4溶液重复上述实验，所用时间会增加还是减小，请通过实验验证，并解释原因。将测定结果填入下表，计算并比较化学反应速率。

实验的目的是为了定量测定和研究影响化学反应速率的因素。然而，学生们根据已有的化学反应速率的认知很容易推测实验的结果，导致该实验缺乏实质的探究性，往往难以调动学生探究的积极性;另外，由于注射器一般存在不均衡的摩擦力，体积测定误差有时也较大。因此，笔者在教学中引入DIS（“Digital Information System”的缩写）实验系统，设计富有探究性的化学反应速率测定实验，应用传感器实时采集数据，绘出精准可信的直观图形，然后充分利用数学、物理相关知识分析曲线的斜率，从而定量测出化学反应的平均速率和瞬时速率，增强了实验的探究性，注重不同学科知识的融会贯通，培养学生精准的定量思维，加深对概念的理解，形成相对完整的化学反应速率概念体系。

二、定量实验研究

化学反应速率是通过实验测定的。化学反应中发生变化的是体系中的化学物质（包括反应物和生成物），所以与其中任何一种化学物质的浓度（或质量）相关的性质在测量反应速率时都可以加以利用，包括释放出气体的体积、体系的压强、颜色的深浅、导电能力、溶液的pH等。而这些物理量借助DIS实验系统都可以实时、可视、定量的测定。为便于研究，将实验改为测量碳酸钙和不同浓度盐酸反应的速率。

1.实验仪器与药品

实验仪器：pH传感器、压力传感器、CO2浓度传感器及配套塑料瓶、滴数传感器及配套塑料管、计算机、数据采集器、矮试管（10mL、2支）、锥形瓶（100mL、2只）等。

实验药品：碳酸钙、不同浓度的盐酸、饱和碳酸氢钠溶液。

2.分组实验方案及步骤

（1）方案1盐酸浓度一时间图的测定。

1）组装仪器：将计算机、数据采集器、pH传感器连接好，打开Logger Pro 3.8.6软件;

2）测定碳酸钙粉末与不同浓度盐酸（pH=2、4）反应的pH-t曲线，装置见图2。

①在两支相同矮试管中分别加入0.5g碳酸钙粉末，并同时分别加入5mL pH=2、5mL pH=4的盐酸;②同时插入pH计;③采集数据;④静置，约60秒后停止数据采集，拆除传感器，取出pH计，用蒸馏水冲洗干净;⑤整理数据与pH-t曲线图，圖3。

（2）方案2 二氧化碳浓度一时间图的测定。

1）组装仪器：将计算机、数据采集器、CO2浓度传感器连接好，打开Logger Pro 3.8.6软件;

2）测定碳酸钙粉末与不同浓度盐酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反应的c（CO2）-t曲线，装置见图4。

①在两只塑料瓶中分别加入1g碳酸钙粉末，并同时分别加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的盐酸;②同时插入CO2浓度传感器，并塞紧传感器活塞，静置;③采集数据;④静置，约60秒后停止数据采集，拆除传感器，取出CO2浓度传感器，用蒸馏水冲洗干净;⑤整理数据与c（CO2）-t曲线图，图5。

（3）方案3 气体压强-时间图的测定。

1）组装仪器：将计算机、数据采集器、压力传感器连接好，打开Logger Pro 3.8.6软件;

2）测定碳酸钙粉末与不同浓度盐酸（0.5mol/L、0.25mol/L）反应的p-t曲线，装置见图6。

①在两只相同锥形瓶中分别加入1g碳酸钙粉末，并同时分别加入20mL 0.5mol/L、20mL 0.25mol/L的盐酸;②同时插入压力传感器，并塞紧传感器活塞，关闭导气孔，静置;③采集数据;④静置，约200秒后停止数据采集，打开导气孔，拔出活塞，取出压力传感器，用蒸馏水冲洗干净;⑤整理数据与p-t曲线图，图7。

（4）方案4 气体体积-时间图的测定

1）组装仪器：将计算机、数据采集器、滴数传感器连接好，打开Logger Pro 3.8.6软件;

2）测定0.5mol/L盐酸与碳酸钙反应的V-t曲线，装置见图8。

①在锥形瓶中加入适量块状碳酸钙，并将装有10mL 0.5mol/L盐酸的矮试管小心放入锥形瓶中;②在竖直双通管中加满饱和NaHCO3溶液，并塞紧锥形瓶上的活塞，打开滴管下方的开关，至无液体滴下;③将锥形瓶倾斜，使试管中盐酸倒入瓶中，同时打开滴数传感器，采集数据;④待竖直管中液体快滴完时停止数据采集，关闭滴管的开关;⑤整理数据与V-t曲线图，图9。

3.数据处理与分析

（1）依据反应速率概念，进行实验数据转换

化学反应速率一般用单位时间内反应物或生成物的浓度变化来表示，为便于交流，测量化学反应速率时，需要将上述pH、压强、气体体积等体系性质随时间的变化曲线换算为盐酸浓度随时间的变化曲线。而这些不难通过Logger Pro 3.8.6软件数据处理目录中的新计算栏函数设置进行换算，如将pH换算为c（H+）时输入“10”（-“pH”）”表达式，即可将图3盐酸与碳酸钙反应的pH-t曲线图转换为图10盐酸与碳酸钙反应的c（H+）-t曲线图。

（2）融合相关理科知识，分析图像化学含义

在分析化学问题时，常会运用反映相关量变化关系的图像。在结合化学反应原理定性、定量分析图像时，既要充分彰显化学学科特点，又要充分应用数学、物理等相邻理科的已有知识进行全面多样化的分析，充分体现科学知识获得的严谨性、科学知识应用的融合性。从c（H+）-t曲线图上测定用c（H+）变化表示的反应速率，在时段△t内计算出浓度差与时段的商△c/△t得到这一时段的平均速率v，它相当于浓度-时间曲线图上对应时段割线的斜率。当所选用的时段越来越短，最后割线就变成切线，切线的斜率即瞬时速率，相当于△t趋近0时平均速率的极限值，图11。

（3）发挥软件计算功能，测定化学反应速率

Logger Pro 3.8.6软件带有良好的数据处理功能，且有友好的操作界面，只需在c（H+）-t曲线图上选取需要的时间段，如4s-12s，然后选择“statistics”，曲线图上会显示系列数据供选择使用，如起始、终止时刻c（H+）及△c（H+）等。读取pH=2的盐酸此时段内△c（H+） =0.00163mol/L，pH=4的盐酸此时段内△c（H+） =4.83×10-5mol/L。可以分别求算出不同浓度的盐酸与碳酸钙反应的割线斜率，即此时段的平均反应速率，图12。

从曲线图上测定瞬时速率更加方便，只要选择切线图标“tangent”，然后将鼠标放到某时刻，如放在Os时刻，曲线图上自动同时显示两条曲线此时刻的斜率：“c2（H+）Slope：-0.00315： cl（H+）Slope： -5.02E-005”，表示pH=2、4的盐酸与碳酸钙粉末反应的起始反应速率分别为0.00315mol/（L·s）、5.02×10-5mol/（L·s），图130

又如，将鼠标放在8s时刻，可以测定此时的瞬时反应速率分别为0.000194mol/（L·s）、5.897×10-6mol/（L·s），图14。

三、数学化实验研究启示

基于DIS进行的“化学反应速率测定”多角度定量实验研究，对于中学化学实验及其教学具有一定的启示意义。

1.有助于提高定量测定实验的精度

化学的特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。这样的学科特征决定化学在注重学科经典的同时，始终要坚持与时俱进，不断与新科技、新发现相结合。这就要求我们要不断学习科学技术新成果，及时更新教学内容和优化教学方法。当今是数字化时代，DIS是将计算机和微电子技术相结合的新型实验手段，除具有便携、直观、實时等特点外，精准的实验数据采集和强大的数据处理能力使其做出的定量分析结果更科学、可信，有助于提高许多中学定量测定实验的精度，如反应热的测定、滴定分析等。

2.有助于提高学生的实验探究能力

利用DIS对一些实验效果不佳的传统化学实验进行改进，在实验设计阶段，要根据实验目的和化学反应的特点选择合适的传感器，例如，化学反应速率的测定，有的反应可以选择传感器能直接测量的性质，如c（CO2）、pH、色度等，有的反应则需要将体系的相关性质进行转换，如根据电导率的变化测定乙酸乙酯水解反应的速率等。在实验准备阶段，要结合传感器的量程和使用特点，优化反应的条件、调节试剂的浓度和体积、设计组装与传感器配套的辅助实验装置等。如本课题研究方案1中，pH传感器的量程决定了只能使用很稀的盐酸;方案2、方案3中，压力传感器、CO2气体浓度传感器要求形成固定体积的密封反应体系，必须注意实验的安全;方案4，巧妙地利用液体滴数传感器来测定反应生成气体的体积，实验装置的设计具有科学探究的创新意识，实验开始前将一个装有盐酸的矮试管放入已有碳酸钙的锥形瓶，保证了实验过程中体系的密封性;用一个装有饱和碳酸氢钠溶液的竖直双通管代替教材中的注射器，化解了器壁摩擦力对实验精度的影响，选用饱和碳酸氢钠溶液代替水防止了因CO2溶解对实验精度的影响;利用滴数传感器精准记录反应时滴下液体的滴数，结合相应校准实验获得每滴液体的体积（0.04mL），将反应产生气体的体积转化为流出液体的滴数，再通过数据采集器还原为气体体积。整个探究过程中，实验方案的设计、实验参数的设置、数据的采集、实验现象的观察和记录、使用软件对实验数据进行分析、对实验曲线进行解释、撰写实验报告等等，整个小组同学相互合作，从实验问题出发，依据探究目的，设计探究方案，运用数字化实验进行实验探究，促进了学生实验探究能力的发展。

3.有助于深化对化学反应原理的理解

结合本研究展开的化学反应速率的教学，从感性认识到定性描述，再到平均反应速率、瞬时反应速率的定量表述，体现出化学知识有一定的理论高度，也为将来学习速率方程打下一定的学科基础。运用割线或切线的斜率进行化学反应速率的概念教学，一方面可以加深学生对化学反应速率的理解，同时还注重数学、物理等已有相关知识的融合，有助于学生能从多角度、动态地分析化学变化，形成并发展变量控制的实验思想，深化对化学反应原理的理解。

4.数字化实验的教学研究已然在路上

结合本研究，在施教的2个班109名同学中做了一次无记名问卷调查，调查表明，我校目前主要在物理、化学、生物课程中使用了数字化教学仪器;82%的同学认为使用数字化实验进行学习的方式（可多选）是教师课堂演示，85%的同学认为进行了学生分组实验，15%的同学在课外兴趣小组或研究性课题研究中使用过数字化实验仪器;78%的同学愿意进行数字化实验探究学习;51%的同学愿意使用数字化实验探究学习的理由（可多选）为可以加深对知识的理解，77%的同学认为数字化实验数据处理更简便;44%的同学认为数字化实验探究学习真正符合探究式学习要求，49%的同学认为基本符合;55%的同学认为数字化实验不完全符合探究式学习要求的主要原因是时间不够，18%的同学认为是仪器操作不便;67%的同学认为课任老师对数字化实验探究教学很热心，愿意开展教学活动，32%的同学认为老师积极性很一般，只在公开课教学时展示一下;72%的同学认为数字化实验探究学习课程应该常态化，和常规实验一样，20%的同学认为应该在课外兴趣小组学习中开展。数字化实验的教学研究已然在路上，让我们与时俱进吧。