计算机技术在化学实验教学中的应用实例

李巨超

(河池学院 化生系,广西 宜州 546300)

计算机技术在化学实验教学中的应用实例

李巨超

(河池学院 化生系,广西 宜州 546300)

应用计算机技术包括互联网以及相关的应用软件,可以在化学实验教学中发挥强大的作用,广泛应用于实验预习、实验方案设计、实验报告的撰写与评价。尤其是用于处理化学实验数据,解决繁琐的数学计算问题,具有不可替代的优越性。熟练运用这些计算机技术,能够大大增强化学实验教学效果,开拓实验教学的新局面。

计算机;化学实验;教学;数据处理

计算机技术在化学教学以及教改研究上有着广阔的用途,而对于化学实验教学,除了制作教学软件开展多媒体教学、运用网络进行教学等常规应用外,还有更多层次、内容更为丰富的应用,尤其是运用软件处理实验数据,运算实验结果,模拟实验操作等,具有独特的优越性。

一、运用计算机进行化学实验预习

学生在上实验课之前,都必须进行预习,以便在实验课中能够有的放矢,顺利完成实验,达到实验的预定目的。许多情况下,学生都不具备到实验室预习的条件,如果只是看看教材和一些参考书,收效不大,预习效果不够理想,而互联网及各种教学软件给我们提供了广阔的学习空间。

(一)通过在互联网上查阅资料进行预习

国内办学比较成熟的高校,如果具有相关专业,大都在网上有化学实验教学网站。在搜索引擎中输入“化学实验中心”,可以找到数以百计的高校化学实验 (教学)中心的网址。在前面冠以某某高校的名称,就可以直接搜索到该校的化学实验中心网址。在这些网站中,都有很丰富的化学实验教学资料,具体到我们需要了解的某个实验的原理、方法、方案、应用的仪器试剂、实验装置图、注意事项以及成败的关键。有些网站还提供演示实验操作的视频,让我们能直观地看到实验操作方法,还有相关的实用附录资料如溶液的配制、指示剂的应用、计算公式等等。如果想直接了解某个实验,可在搜索引擎中输入实验名称,例如“化学反应速率及活化能的测定”、“硫酸亚铁铵的制备”等,即可很快找到相关的教学参考资料。通过网上查阅资料来预习实验,学习效率非常高,效果比单纯看书好得多。

(二)运用模拟、仿真化学实验室软件进行实验预习

“仿真化学实验室”、Chemlab以及类似的软件都是在电脑上进行模拟化学实验的互动式教学软件。学习者可在一个虚拟的可视化的平台上,采用虚拟 (图形)的实验仪器和试剂,进行模拟化学实验操作,达到训练、掌握实验操作方法和技能的目的。

1.“仿真化学实验室”的功能

“仿真化学实验室”是国内开发的一个可单机使用的交互式教学软件,其中包含化学仿真实验平台、三维分子模型和化学资料中心。调用内置的“仪器库”,能够“装配”复杂的化学实验“装置”,可以进行许多虚拟但又逼真的化学定性和定量实验;利用“三维分子”可以制作出各种常见有机分子 (烯、炔、卤代烃、醇、醛、羧酸、酯等)的三维模型,并可制作成动画;化学资料中心是以元素周期表为主线的化学资料库,可以便捷地查找所需要的元素或化合物的有关数据。

2. “仿真化学实验室”的使用实例

以实验室制取 Cl2的为例,介绍其使用方法。

步骤 1,组配实验装置:运行“仿真化学实验室”,在窗口左边的仪器器件箱中 (图 1),用鼠标点击所需的仪器及配件,再在实验区中点击一下鼠标就可以把该仪器放在实验区中了。然后拖动到适当位置,组成本实验的装置图 (图 2)。

步骤 2,往容器中添加药品:用鼠标右击需要加药品的容器,在弹出的菜单中点击“添加药品”,这时会弹出“添加药品”对话框 (图 3)。

从“固体、液体、气体、溶质、溶液、离子”选项中选择所需类型,再找到具体的药品名称,然后输入需要添加的量,最后点击“添加”按钮就可以了。

步骤 3,启动智能反应与定制反应:“仿真化学实验室”具有智能处理反应功能,可根据容器中的药品和环境自动从方程式库中搜索可能存在的反应方程式,并按这些方程式进行计算。点击工具栏中的运行按钮,设置为运行状态。再点击分液漏斗,分液漏斗右边会出现一排按钮,点击“打开”就可以把分液漏斗中的盐酸加入到烧瓶中了。这时反应就会自动进行了。为了准确地控制实验,需要对发生的反应进行定制:右击烧瓶,选择“属性”,再选择“容器中的反应”,弹出显示可能发生反应的对话框。对于可以不考虑的反应,可以点击“删除”。修改后将“容器相关设置”项目中“智能处理反应”选项设置为不选中状态。最后点击运行按钮,将出现预期的“实验现象”。

对于复杂的定量反应,模拟实验能表现出更好的学习效果。通过适当设置有关选项参数,能够进行自动计算,还可以描绘反应曲线图形。

二、运用计算机处理化学实验数据

在化学实验过程中,经常要对大量的实验数据进行记录、整理、分析和计算,并辅以图表作直观展示,解释实验现象并做出实验结论,最后求得准确的实验结果。传统的处理实验数据的方法是手工记录整理数据、分析计算,以及在方格纸上描点作图。此种方法工作量大,效率低,容易出现误差。运用计算机技术处理化学实验数据具有简便、快速、计算准确、图表精确,以及便于存档和交互应用等一系列优越性。因此,越来越多的化学教师、科研和技术人员对此大力开发应用。目前,便于普及且应用较广泛的相关软件有 Excel、Origin、VisualBasic以及 C语言程序等。

(一)运用 Excel处理化学实验数据实例

Excel是常用办公软件MicrosoftOffice中的组件之一,具有强大的数据分析和计算功能,可以用图形直观形象地描绘实验数据。在处理化学实验数据时,常用的功能有:①制作表格;②函数计算;③图形表示。

1.碘化铅溶度积常数测定的实验原理

用分光光度计测定 b,溶度积常数 Ksp=(c-a-b2).b2

2.实验过程

绘制 I-浓度的标准曲线:在 5支具塞比色管中分别加入 KI溶液 (0.0035 mol.L-1)、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0ml、KNO2溶液 (0.020mol.L-1)2ml、蒸馏水及 HCl 1滴 (6.0 mol.L-1)。摇匀后,分别倒入比色皿中。以水做参比溶液,测定 520 nm波长的吸光度。以测得的吸光度值 A为纵坐标,以相应 I-浓度为横坐标,绘制出 I-浓度的标准曲线图。

制备 PbI2饱和溶液:在 3支具塞比色管中,分别加入 5ml0.015 mol.L-1Pb(NO3)2溶液,再分别加入 3、4、5ml 0.035 mol-1KI溶液,加蒸馏水至每个试管中溶液体积为 10.00 ml;摇匀、静止 30mni使其充分反应,然后过滤,将滤液分别保留于 3只烧杯中;取 3支小试管,分别移取以上制得的 PbI2饱和溶液,每支试管加入 4ml0.010mol.L-1KNO2溶液及 1滴 6.0 mol.L-1HCl溶液。摇匀后,分别装入比色皿,测定 520 nm波长的吸光度 (A′)。

2.1.3 实验数据记录与处理

表一 I-浓度的标准溶液吸光度 (A)的测定记录与 Excel作图表

表二 PbI2饱和溶液吸光度 (A′)的数据记录与 Excel根据 c(I-)标准曲线计算出的 PbI2饱和溶液中 I-的浓度

表三 ksp(PbI2)测定实验数据处理

6.5794×10-5 6.4593×10-5 5.9916×10-5 Pb2+的初始浓度 /(mol.L-1):c 7.5×10-3 7.5×10-3 7.5×10-3 Pb2+的平衡浓度 /(mol.L-1):c-(a-b)/2 6.3057×10-3 4.5185×10-3 2.6203×10-3 ksp(PbI2):[c-(a-b)/2]×b2 41.4877×10-8 29.1863×10-8 15.6998×10-8 ksp(PbI2)的平均值 28.7913 ×10-8标准偏差 -S 1.29 c(I-)2:b2

(二)运用 VisualBasic处理化学实验数据实例

实验内容:用 EDTA标准溶液 (0.01 mol.L-1)测定样品溶液中 Ca2+含量。进行测定实验操作 (平行 3次),记录实验数据 (实验过程略)。

运用程序设计软件 VisualBasic设计一个“配位滴定计算程序”(设计过程略)。

启动配位滴定计算程序,弹出的对话窗口 (图 5),在相关选项中进行选择以及输入数值:

(1)待测离子种类:选择 Ca2+;(2)待测溶液体积:输入 25 mL;(3)溶液的 pH值:输入 12.5;(4)标类:选择 EDTA;(5)标定液浓度:输入 0.01 mol.L-1;(6)滴定终点标定液的体积:50 mL;(7)有无金属离 (Y/N):输入 N.单击“确定”进行计算.得计算结果为待测溶液浓度为 0.005 mol.L-1;单击“显示过程”,即可输出“EDTA滴定 Ca2+结果”;在“输出结果”窗体上选择“显示滴定曲线”,就会显示滴定曲线 (图 6)。根据比较,运行计算结果与按测定计算值相符,同时体现了便捷和准确的优越性。

三、结束语

用于化学实验数据处理的软件,还有一些功能更强的但过于专业的工具,不一定适合一般的教学应用。而类似以上这些软件,还有更多的功能、更巧妙的应用方法有待开发设计,只要能够充分运用,完全可以满足化学实验教学的数据处理,并可以发挥更广阔的用途。例如用“Excel”中制作的实验数据处理程序表格,既可给学生用来书写实验报告,也可为教师用来验证学生的实验数据处理结果和分析实验问题,以及制作实验试题答题和评价系统,大大减少师生的工作量,提高教学效率。

[1]冷松.“仿真化学实验室”软件简介及应用示例[J].计算机在化学中的应用,2006,(11).

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[3]刘秀伟.浅谈 EXCEL在化学实验数据处理中的应用[J].青岛教育学院学报,2000,(2).

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[5]方奕文.VisualBasic语言在化学中的应用[J].汕头大学学报 (自然科学版),2002,(1).

G642.423

A

1672-9021(2010)S-0115-04

李巨超 (1954-),男,广西平乐人,河池学院化生系高级实验师,主要研究方向:无机及分析化学实验,现代教育技术。

2010-06-20

[责任编辑 贺卫国 ]