利用智能手机探究二氧化碳与氢氧化钠溶液是否反应

摘要：应用智能手机的压强传感器配合自开发的APP测量氢氧化钠溶液和水分别加入到盛有二氧化碳的集气瓶中后密闭容器内压强的变化，并分别绘制出压强的变化曲线，通过比较曲线来说明二氧化碳与氢氧化钠发生了化学反应。该实验方法操作简便，获取压强变化曲线便捷，可以运用于各种测量密闭容器压强变化的实验中。

关键词：压强传感器；真空保鲜盒；APP；智能手机

文章编号：1008-0546（2021）12-0082-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.020

一、问题的提出

氢氧化钠与二氧化碳的反应是初中化学中非常重要的一个反应，但是该反应的反应现象不明显（或者无明显现象），从而导致学生难以判断其产物，对于该反应的化学方程式的理解比较困难。而对于这类无明显现象的反应，很多老师都采用了数字化实验设计的方式来探究二氧化碳与氢氧化钠的反应，分别采用气压或相对压强、二氧化碳浓度、温度、pH这四种传感器分别测量氢氧化钠与二氧化碳反应过程中四者的变化，从多个视角来探究该反应的发生，为广大教师提供了宝贵的学习资源[1-3]。但是限于不同学校的实验室条件限制，导致不是每个学生都有机会接触或使用数字化实验设备。目前的主流中高端手机基本都配置有加速计、陀螺仪、环境光传感、GPS、磁场强度、近距侦测器、压强等等甚至可以外接传感器用于多种物理量的测定，让智能手机变为一个可以随时进行测量、即时对比实验数据和学习的设备。因此笔者选择使用手机压强传感器来探究二氧化碳与氢氧化钠的特有现象，首先以小米手机6的BMP280压强传感器为例，手机压强传感器的稳定性（工作温度范围为-20℃到85℃）和數据采集的精度（分辨率0.12 Kpa）都相当高；其次压强是研究气体反应的一个重要的物理量，普通化学实验室缺少能直接测定气体压强的设备，而引入手机压强传感器使得密闭容器内的气体压强数据更加直观明了。所以笔者配合自己开发的手机APP设计了个新的实验方法，并通过对比二氧化碳与氢氧化钠溶液反应和二氧化碳与水反应的压强变化曲线来证明氢氧化钠与二氧化碳发生反应。实验结果表明该方法具有成本低，简单便捷，易于普及推广应用于其他的实验之中，并且非常适合学生进行实验的探究。

二、实验原理与方法

将收集满二氧化碳的500mL集气瓶置于真空保鲜盒中，打开集气瓶塞用滴管加入氢氧化钠溶液，迅速关上真空保鲜盒的盖子，通过振荡使二氧化碳不断与氢氧化钠溶液反应，使真空保鲜盒盒内的压强不断减小，并利用自己开发的APP来采集真空保鲜盒盒内的压强数据最后绘制成曲线，再通过对比二氧化碳与氢氧化钠溶液反应、二氧化碳与水反应两条曲线的变化趋势得出结论。

Phyphox是手机传感器在中学化学实验中应用较多的一款功能强大的软件，它是德国亚琛工业大学设计开发的一款用途较广的手机实验传感器软件，可以直接调用手机内置的各种传感器进行测量，监测手机的所处环境中各种物理量的变化并获取相应的数据，而且能将测量的结果以数据或者曲线的形式呈现出来[4-5]。但其在手机压强传感器的数据采集上也存在不少缺点，例如Phyphox所绘制的曲线图无法直接读出各个采样时间点的数据，需要导进电脑进行处理，无法设置压强采样的范围等等。因此笔者自己开发了用于实验的相关APP。

本实验中使用的APP其运行界面（如图1所示），在此进行简单的介绍，延时设置的两个输入框分别控制压强传感器启动延后时间（单位s）和采集压强数据的频率（单位s），次行采样设置的两个输入框分别控制压强传感器的采样持续时间（单位s）以及采样的频率（单位s），压强设置的两个输入框分别控制压强采样的范围（主要应用于碳酸钠与碳酸氢钠与酸反应的差异或比较金属与不同浓度的酸的反应速率的探究等试验）。先勾选试样的次号，再点击右侧采样按钮来启动压强传感器进行采样，压强传感器开始按上方设置的时间和频率采集数据，采样完成之后可以点击相应的绘图按钮来显示密闭容器内压强的变化曲线，并且可以通过手指的划动来缩放曲线，再点击各个采样点可以直接获取到压强数据和采样的时间点，再点击保存可以将实验数据保存在手机的根目录下，完成多次实验并保存之后可以通过勾选次号通过点击导入按钮来观察不同次号实验的曲线图并进行比较，也可以将保存在手机根目录下的数据文件直接导入Excel中进行分析。

三、实验仪器及试剂

实验仪器：智能手机一部（小米6）、3L真空保鲜盒、10 mL的滴管2根、3 m蘑菇搭扣、500 mL集气瓶2个、二氧化碳简易制取装置、纳米胶带、蓝牙鼠标

实验试剂：15%氢氧化钠溶液、蒸馏水

四、实验步骤

（1）用排水集气法将两个500 mL的集气瓶收满二氧化碳气体，擦干之后在集气瓶瓶壁上贴上纳米胶带。

（2）如图2所示搭好装置，打开小米6手机并设置亮屏时间为永久，同时连接网络（连接网络是为了绘制曲线的功能启动，如果无网络，曲线绘制不成功的话，可以通过先保存再导入的方式绘制曲线）并打开蓝牙以连接好蓝牙鼠标，同时打开自开发的APP设置延时时间为10 s，采样时间180 s，将手机通过蘑菇搭扣固定于真空保鲜盒的壁上以待用。同时将500 mL的集气瓶置于真空保鲜盒之中，通过纳米胶带牢牢固定于真空保鲜盒的壁上，再用蓝牙鼠标移动手机的指针点击采样按钮开始数据采集，迅速用10 mL的滴管往集气瓶底部滴加20 mL的15%的氢氧化钠溶液，滴加完成之后盖上真空保鲜盒的盖子。

（3）等待5秒之后开始不停的摇动真空保鲜盒，直至APP中的压强示数不再改变为止。待APP提示采样完成之后，轻按真空保鲜盒的泄气阀使真空保鲜盒内的压强恢复到标准大气压取出手机并点击绘图按钮，APP下方会出现压强—时间的变化曲线（如图3所示），可以通过手指的放大缩小点击来得到不同时间点的压强值，最后点击保存按钮来保存实验数据。

（4）点击清除按钮后重新勾选实验次数，用10 mL滴管往装满二氧化碳的500 mL集气瓶加入同样的水进行二氧化碳和水的反应，完成之后并保存数据。

五、数据分析和解释

从图3的密闭容器内的压强变化曲线可以发现二氧化碳与氢氧化钠、水反应之后密闭容器内的压强都是减小的趋势，且二氧化碳与氢氧化钠溶液反应比二氧化碳与水反应变化更为明显。

将手机根目录下保存的实验数据导入到Excel合并得到二氧化碳与氢氧化钠和水反应的压强变化的曲线图（如图4所示），从对比曲线图看出密闭容器内压强的减小说明了二氧化碳与氢氧化钠发生了化学反应而不仅仅是溶于水或者是与水发生了反应。

结合图3和图4也可以发现在前10 s未进行振荡时，二氧化碳与氢氧化钠的反应速率是非常慢的，但在振荡的条件下可以大大加快反应的速率。这是由于二氧化碳是一种非极性分子，溶于水这种极性溶剂中的速率较慢，因此难以快速与氢氧化钠发生反应。而振荡可以增加二氧化碳这一气相与溶液相的接触，从而提高反应速率。因此做好矿泉水瓶中二氧化碳气体和氢氧化钠溶液反应的实验、二氧化碳气体和氢氧化钠溶液的喷泉实验等传统实验不断振荡才是成功的关键[6]。

六、实验的创新之处

（1）便捷性：利用智能手机开展化学实验虽然目前还需要借助其他的工具或者实验仪器来完成实验。与手持技术的方式进行实验相比较而言，智能手机其实也可以通过自开发的APP来实现数据测量、采集、曲线绘制甚至于数据分析的完全一体化，可以不受任何限制，方便灵活地置于各种实验场合和各种实验装置内进行数据的测量采集，曲线绘制等多种功能。

（2）扩展性：使用自开发的APP让学生除了能观察实验现象之外，同时得到了观察不到的实验数据，并能直接绘制出相应的曲线，通过手指的划动缩放点击来获取各个时间点的数据进行分析，使得智能手机在化学实验方面的功能进一步扩展，除了本实验外还可以运用在金属活性顺序的探究实验或浓度对化学平衡的影响等一系列需要手持技术中压强传感器才能完成的数字化实验。此外，还可以进行跨学科之间的实验探索，可以是个人、分组、群体的测量，结合生活环境中的实验：高度和大气压强的关系、台风天气中大气压强的变化等等来逐渐培养学生的终身学习能力，提升科学素养。

综上所述，二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应中，可以利用智能手机结合自开发的APP能将无明显现象的化学反应转为曲线表达，使学生能够直观、形象、实时、便捷地看出曲线的变化，分析得出证明化学变化发生的思路，提高分析问题的能力，解决在实际学习中遇到的难点。

参考文献

[1]刘静松.应用压强传感器探究氢氧化钠和二氧化碳的反应[J].化学教学，2019（2）：72-74

[2]周文荣.“二氧化碳与氢氧化钠反应”的数字化实验设计[J].化学教学，2017（10）：58-63

[3]周文荣.例析初中化学实验探究与实验创新素养培育的视角——以“探究二氧化碳与氢氧化钠发生反应”为例[J].化学教与学，2018（12）：73-75

[4]惠宇洁.智能手机在物理实验教学中的应用探讨——以Phyphox软件为例[J].物理教学探讨，2018，36（7）：70-72

[5]李嘉.智能手机在气体摩尔体积测定實验中的应用[J].化学教育，2020，41（11）：98-100

[6]王欣磊，沈甸.气体压强传感技术在中学化学实验教学中的应用[J].化学教学，2015（9）：58-61