利用智能手机探究影响化学反应速率的因素

杨世全 张莉华 邱亚明

摘要：为解决部分高中缺少仪器难以开展数字化实验的问题，教师以FeCl3催化H2O2分解实验为例，借助常见的材料和智能手机设计简单可行的教学方案，先测定H2O2分解实验中O2的压强和溶液温度，再将实验测定数据与教材给出的温度对速率影响倍数对比，说明H2O2在升温条件下分解速率增大主要是由催化剂活性决定的，体现了数字化实验的便捷与高效，提高了教学效率。

关键词：手机传感器;温度;化学反应速率;碰撞理论

化学教师按照教材要求，开展定性研究影响化学反应速率因素的实验，一般会采用数字化手段进行设计与实施。在仪器配备齐全的学校，教师可以利用成套仪器开展实验教学。对于一些暂时没有条件装备先进仪器的学校来说，教师需要利用智能手机和常见材料，设计简单可行的实验方案，引导学生思考和操作，以高效实现目标。

一、实验存在的不足和改进思路

定性研究影响化学反应速率的因素是人教版化学教材内容，人教版《普通高中教科书 化学必修 第二册》设计了温度对化学反应速率的影响实验^[1]，实验设计见表1。人教版《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》也涉及定性与定量探究影响化学反应速率因素的实验，同样给出5%的H₂O₂溶液、1 mol/L FeCl₃溶液、蒸馏水和热水等试剂，引导学生设计相应实验。该实验的目的是让学生认识影响化学反应速率的因素，参与设计实验的过程，学会利用控制变量法研究问题。教材上的论述是实验者通过观察产生气泡快慢的现象得出结论，即其他条件相同时，升高温度，H₂O₂分解速率增大。对于有催化剂参与的反应，在分析温度对化学反应速率的影响时，洪耀辉和周波依据教材从微观角度利用简单碰撞理论分析^[2][3]，认为温度升高增大了活化分子百分含量，提高了有效碰撞频率，使化学反应速率增大。然而，值得注意的是，H₂O₂分解实验中用到了FeCl₃（催化剂），而温度对催化剂的活性有一定影响，例如，酶的催化活性在35℃左右最高。可见，实验一中化学反应速率增大的原因也可能是：温度升高导致Fe³⁺催化活性增强，使得H₂O₂分解速率增大。

人教版《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》也从碰撞理论的角度解释了温度的影响，但对催化剂活性的影响并没有提及^[4]。近年高考化学卷涉及温度影响催化剂活性从而改变化学反应速率的考查，例如，2020年高考江苏卷中就有化学反应原理题（涉及催化剂活性）：分析        催化加氢反应在一定温度范围内，随温度升高，        转化率增大的原因。2016年高考全国Ⅱ卷化学反应原理题也考查了催化剂活性。因此，学生有必要认识温度对催化剂活性的影响。笔者查阅文献，范爱玉在教学中引导学生探究升温原因——是因为碰撞频率增大还是通过提高催化剂活性导致化学反应速率增大，同时设计了不同温度下用MnO₂做催化剂反应的对比实验，进一步说明催化剂活性影响反应速率。笔者认为，上述实验设计方案有不严密之处：有催化剂存在的情况下，温度、活化分子的百分含量和催化剂的活性都会影响实验，究竟是哪种因素影响速率，通过实验现象是无法说明的。

实验者重复教材上的实验并进行分析，在滴入FeCl₃溶液的瞬间，溶液颜色立即变为棕褐色（或棕黄色），说明在滴入FeCl₃溶液之后，溶液中生成了有色的过渡态络合物，如Fe^Ⅲ（HO₂）²⁺与Fe^Ⅲ（OH）（HO₂）⁺。实验者拍摄常温水浴和热水浴发生反应的视频并进行对比，在滴入2滴FeCl₃溶液瞬间，两支试管中的液体均零星呈棕褐色，常温水浴组在经过2.5 s左右整个溶液呈棕褐色，经过4 s左右开始出现少量气泡;热水浴组经过1.5 s左右整个溶液呈棕褐色，且立即出现少量气泡。在溶液变色之前，两组实验肉眼均无法看到明显气泡，气泡的产生都是在出现棕褐色物质之后。随着时间的推移，常温水浴组气泡量逐渐增多，热水浴组中立即出现大量气泡，观察者可以清楚地看到化学反应速率先增大，一段时间又开始减小，且在热水浴情况下反应速率增大更快。学生如按教材说明进行实验操作，常温下做两组实验，当试管中产生少量气泡时将其中一支试管放入热水浴中，观察到热水浴试管中，气泡量快速增多。学生根据这些实验现象可以得出温度升高反应速率增大的结论，但对于加快的原因则无法通过现象判断。学生会存在疑惑，到底是从催化剂活性角度分析还是从碰撞频率增大的角度分析升温对速率的影响呢？

根据化学反应动力学理论，H₂O₂的分解在一定条件下符合一级反应动力学方程，速率方程为v=k·c（H₂O₂）。如果温度升高，仅从简单碰撞理论分析，根据阿伦里乌斯定律推出的速率常数K_exp=A_expe    ，A_exp和E_exp为与温度、浓度无关的常数。教师可以利用手机压力传感器和温度传感器，引导学生设计一套实验装置用以测量H₂O₂分解产生的O₂压强变化量和溶液的温度变化量，根据理想气体状态方程pV=nRT，可知，在气体体积和温度不变的情况下，利用压强可以求出产生的O₂物质的量，根据方程式系数关系可以换算得到H₂O₂的量，取得H₂O₂浓度的变化数据，绘制H₂O₂浓度变化曲线，对曲线求导得出以H₂O₂浓度变化表示的速率变化曲线。师生选择温度上升段分析，取起始段时间t₁时的温度T₁和瞬时速率v₁，取速率增大之后某点t₂时的温度T₂和瞬时速率v₂，根据速率公式t₁点和t₂点速率之比为                                      ，化简后得                                    。当E_exp保持不变时，速率的变化由浓度和温度决定，若H₂O₂分解反应在升温过程中速率的增大倍数符合阿伦里乌斯公式的计算结果，则说明升高温度速率增大是由温度决定的;若计算结果与实际相差过大，则说明化学反应速率增大并不是温度造成的，推测是催化剂活性增强的结果。

二、新实验的设计与验证

（一）实验试剂及仪器

实验试剂：约5% H₂O₂溶液、1 mol/L FeCl₃溶液、无水CaCl₂。

实验仪器：试管、橡胶塞（带孔）、简易干燥器、Y形管、玻璃罐头瓶（1000 mL）、棉花、智能手机一部（带压强传感器、phyphox App）、温度传感器、硬纸板（用于固定手机和Y形管）。

说明如下。①容器体积：某型智能手机高13.81 cm、宽6.7 cm、厚0.69 mm;温度传感器高10.1 cm、宽4 cm、厚1.15 cm，线长1 m，直径0.3 cm;硬纸板高16 cm、宽10 cm、厚0.2 cm。综合考虑，罐头瓶中收集气体体积近似为850 mL。②计算数据的选择：由于智能手机测压非常灵敏，收集数据会出现波动（连续的时间段有升高又有降低），不会出现完全单调增加或减少的理想情况，因此将一段时间内的数据平均值作为计算依据。

（二）实验的步骤

1.实验装置的组装及实验前的准备

简易干燥器的制作：取医用输液管，将滴壶一端剪开形成大口，另一端不变，去掉多余的细软管，在滴壶中装入一团棉花，堵住细管口，加入足量无水CaCl₂，用棉花堵住大口;将带细软管的一端插入带孔的橡胶塞中，制成简易干燥器。

教师打开智能手机，将屏幕设置为常亮模式，打开Phyphox App，进入压力测量界面，点击开始按钮，或者设置定时开始，放入罐头瓶中。教师演示实验时，打开手机投屏软件，将手机屏幕投放到交互式电子白板上，此时Phyphox测压界面会呈现在交互式电子白板上。

2.实验操作

第一步：向Y形管一端滴入2滴 1 mol/L的FeCl₃溶液，用量筒量取2 mL 5%H₂O₂溶液，倒入Y形管的另一端，将温度传感器插入滴有FeCl₃溶液的一端，塞紧带有干燥器的橡胶塞，将Y形管和温度传感器同时放入罐头瓶中。将罐头瓶瓶盖扣好，观察智能手机中压强的变化。一段时间后，压强趋于稳定，表明装置气密性良好。

第二步：使罐头瓶倾斜，迅速将Y形管中的H₂O₂倒入滴有FeCl₃溶液的一端，记下混合的时间，观察屏幕中压力曲线的变化情况。

第三步：当压力数值趋于一条平滑直线时，打开罐头瓶瓶盖，拿出智能手机点击Phyphox软件中暂停键，停止测压。同时，点击温度传感器按键，停止测温，将数据导入电脑进行分析。

（三）实验数据的处理与分析

利用智能手机测定的压强随时间变化数据如图1所示。随着H₂O₂不断分解，装置内压强不断增大，从曲线斜率上看，反应开始曲线较陡，一段时间之后变得较为平缓，可知化学反应速率先大后小。

以第一组实验为例，反应进行到345 s时，Δp=p（345 s）-p（0 s）=23.17 hPa，罐头瓶中的气体的体积V近似为850 mL，理想气体常数R=8.314 J·（mol·K）^-1，空气温度为28 ℃，则T=301 K，依据pV=nRT，可求得产生的O₂物质的量n（O₂）。

当压强趋于稳定，算出产生的O₂最大量为0.00188 mol，根据O₂的最大量算出H₂O₂的起始物质的量浓度。

n（H₂O₂）=2n（O₂）=0.00376 mol

第一组实验的部分数据转化情况见表2。

将数据导入Origin软件中，绘制c—t图，对曲线求导绘制v—t图像，同时增加温度数据，绘制T—t图像（如图2）。

从图2中找到温度升高的点将其记为A点，在该点附近选择10个左右的数据，计算速率平均值，将此平均值作为起始速率进行计算;当速率升高到最大将其设为B点，此时温度并没有升高到最大值，当温度升高到最大值时的点即C点，最后当速率减小到一定程度曲线趋于平缓设置D点。A点和B点实际测量速率为v_A和v_B，根据求导所得的数据可求速率变化倍数。

v_A=1.4×10^-5mol·（L·s）^-1，v_B=0.00718 mol·（L·s）^-1，则                                   。

用AB段的浓度和温度数据，假定AB段活化能不变，利用阿伦里乌斯定律计算速率的变化倍数。A点和B点计算出的速率分别为v'_A和v'_B，其中c_A（H₂O₂）、c_B（H₂O₂）为A、B两点附近选择的10个左右数据所得的平均值，得到c_A（H₂O₂）=1.88 mol/L。

师生通过实验测定AB段速率增大，化学反应速率增了506.7倍;根据浓度和温度数据，利用阿伦里乌斯定律算出的速率倍数为0.928，数据相差较大。BC和CD段化学反应速率倍数实验测定数据和计算数据见表3。在BC段，温度仍然升高，速率减小倍数为1.09，浓度的减小倍数为1.18，利用阿伦里乌斯定律算出的速率减小倍数为1.15，通过阿伦里乌斯定律算出的速率变化倍数和实际速率变化倍数比较接近。在CD段，温度开始降低，利用阿伦里乌斯定律算出的数值与实测数值接近。

学生操作这个实验10次，所得结果见表4。

表4中的数据显示，AB段的速率变化倍数相对误差为18460%，实际测量值与理论计算值相差很大，对于为何AB段化学反应速率增大的问题，只考虑温度和浓度的影响，显然与实际不符。根据阿伦里乌斯定律，加入催化剂之后，不考虑温度和浓度的影响，大致的速率增大倍数为      。若温度为301 K，忽略浓度变化，H₂O₂分解活化能由75 kJ/mol变为59.65 kJ/mol，则ΔE_a=15.35 kJ/mol，算出速率增大倍数为460左右。从第一组数据可以看出计算值和实际速率倍数相差不远，但与平均值仍有一定的差距。主要原因：一方面利用智能手机压力传感器测压比较灵敏，温度稍变则压强就立即发生变化，测定的压强数据突变情况较多，造成速率曲线出现锯齿状，给数据选择带来不便;另一方面，测定的组数为10组，取平均值仍受偶然因素影响，可能导致数值偏差较大。鉴于以上原因，对比分析BC和CD段速率变化倍数，只考虑温度和浓度的情况下，计算结果与实际测量结果基本一致，可以说明BC和CD段速率基本由温度和浓度决定，即证明AB段通过计算所得的结果是可信的。

可见，AB段正是由于催化剂的活性改变，造成速率发生变化。由此确定AB段温度升高，化学反应速率增大，仅依据碰撞理论解释温度对该阶段化学反应速率的影响，不妥。

达格玛·维乔切克（Dagmar Wiechoczek）参考H₂O₂被Fe³⁺催化分解的过程，得到H₂O₂分解的原理。

根据催化原理可知，催化剂降低了反应的活化能，结合过渡态理论，降低活化能实际就是与反应物形成能量更低的中间体，例如，Fe^Ⅲ（OOH）²⁺和Fe^Ⅲ（OH）（HO₂）⁺等。一旦形成了稳定的中间体，活性中心便失去继续反应的能力。因此，需要驱动力迅速打破这种稳定态，从而使体系再次回到高能态或活化态，使活性中心再生。温度升高实现了催化活性中心的再生，促使化学反应速率增大。简言之，在FeCl₃催化H₂O₂分解反应中，温度升高化学反应速率增大，有必要考虑催化剂活性的影响。

（四）启示

在化学反应速率的教学中，学生利用控制变量法探究催化剂对化学反应速率的影响后，通常会提出问题：反应中出现的温度变化，也会影响化学反应速率。教师可以简化实验方案，解答学生的疑问。根据人教版教材的描述“温度每升高10 ℃，化学反应速率增大2～4倍”，实验温度最高达31.3 ℃，升高了3.4 ℃，而实际测定的速率变化倍数为506.7，显然速率增大的情况不符合温度对速率的影响规律，推测AB段的速率增大不是温度导致的。教师引导学生对拍摄的视频进行分析，根据慢镜头显示的溶液滴入催化剂的颜色变化和气泡量，分析得到AB段速率的变化是由于催化剂的活性增强导致的结论。教师借此帮助学生认识温度对反应速率的影响。学生不仅需要从碰撞理论角度认识，而且需要从催化剂活性角度认识。如此，教师在教学中提高学生的证据推理与模型认知素养，提升学生的综合能力。

三、总结

实践证明，教师借助常见的材料和智能手机开展数字化实验，可以弥补学校仪器装备的不足。设计简易测压装置，利用手机压力传感器测定反应产生的气体压强变化，在近似恒容恒温的情况下，用定量计算的方式对问题进行分析，不失为一种有效解决化学实验教学的手段。学生对比分析测定结果和计算结果，分析得出结论：对于单一有催化剂参与的反应，化学反应速率先增大后减小，需要考虑温度和浓度的影响，同时需要考虑温度对催化剂活性的影响。温度如何影响化学反应速率，可以从两个角度解释：一是从碰撞理论角度解释，升高温度提高了活化分子的百分量，提高了活化分子之间的碰撞频率从而增大了化学反应速率;二是从过渡态理论解释，升高温度使催化活性中心再生，增大了催化剂的活性，增大化学反应速率。教师引导学生探究化学反应速率的影响因素时，针对不同的化学反应，应从多角度看待速率的变化本质，联系实际，提高教学的科学性。

注：本文系湖北省教育科学规划课题“关键能力视域下的高三化学复习策略的制定及教学研究——以化学反应原理模块的复习为例”的研究成果。

参考文献

[1] 王晶，郑长龙.普通高中教科书 化学 必修 第二册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2] 周波.核心素养视角下高中化学“学生活动”设计案例分析[J].中学教学参考，2020（1）：59.

[3] 洪耀辉，郭毅红，陈新华.基于发展性评价的课堂实践探索 [J].福建基础教育研究，2021（1）：119.

[4] 王晶，郑长龙.普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理[M].北京：人民教育出版社，2020.

（作者杨世全、张莉华系湖北省安陆市第一高级中学一级教师;邱亚明系湖北省安陆市第一高级中学高级教师）

责任编辑：祝元志