利用流量法测量化学反应速率*—以挂壁式产气速率测量仪为例

张澄澄 李德前 凌一洲 高 昊

一、研究背景

化学反应速率，包括化学反应产气速率，是化学实验中具有重要意义的概念之一。以现阶段的中学实验技术很难直接测得化学反应产气速率，通常只是用反应物的物质的量浓度的变化除以时间，求得化学反应的平均速率。

目前，测量化学反应产气速率的方法主要可分为化学法、物理法、流动法[1-3]。化学法是指用化学分析的方法(容量法或重量法)，测定不同时间的反应物浓度，进而计算反应物在单位时间内消耗的物质的量，按化学方程式系数比例推算产气速率。物理法是指通过测定反应过程中混合体系(反应物和生成物)某些与浓度有关的物理性质随时间的变化(例如气体体积随时间的增加)，获得一些原位反应的数据，从而得到动力学曲线(气体体积随时间变化的图像)。流动法是指把化学反应生成的气体通过恒温且横截面积已知的容器，测量气体通过的流速，间接地测量气体体积。

在兼顾物理法与流动法的基础上，本文提出一种新的测量思路—流量法，并以挂壁式产气速率测量仪为例展开介绍。

挂壁式产气速率测量仪需要实现的功能是，非接触地测量液体(浓度恒定)与固体反应时生成气体的速率，例如测量稀硫酸与锌片反应时生成氢气的速率。

二、装置介绍

挂壁式产气速率测量仪是一种基于图像识别法测量化学反应产气速率的装置。该装置与传统实验不同，一是要保持反应物溶液(例如稀硫酸)的浓度恒定，不能因为反应消耗而不断降低(例如用pH传感器测量稀硫酸浓度的变化)，造成测量误差；二是生成气体(例如氢气)的体积采用非接触测量，而不采用传统的接触式测量(例如用排水法把氢气导入倒置的量筒后测量)，避免干扰反应进程。

图1是挂壁式产气速率测量仪的结构示意图，主要包括反应腔体3、扁平容器2、挂板1以及后置管路系统。反应腔体3横截面为直角梯形，盖子位于竖直面，并做过防渗漏处理。

扁平容器2的上下两边采用对称六边形，中间与反应腔体3连接，扁平容器2上下两端各有一孔分别为出水口5和进水口4，与后面挂板1和后置管路系统接通。

挂板1为长方形，其上部开有两个小孔，可接挂线悬挂于墙壁，它的两边各安装有补光灯6，侧边装有微调旋钮7，微调旋钮7通过精密螺纹连接可调节扁平容器2的厚度。

后置管路系统包括出水口、多个阀门，2个微型泵、多根引流管，两个储液罐，进水口，出水口与微型泵通过引流管连接，引流管分为两股，连接两个储液罐，两股上面各装有阀门，两个储液罐下部连接的两个引流管汇成一股，两个引流管上也对应装有阀门，在两个储液罐底下各装有一个排液管和阀门，两个储液罐之间通过引流管和阀门连接，最终汇合成一股，引流管与微型泵连接，微型泵通过引流管与进水口连接。

图1 装置结构图

三、工作原理

参见装置后视图，在右侧储液罐12中装有反应溶液，反应溶液通过引流管8进入微型泵18，微型泵18将液体输送到进水口4，在进水口4中反应溶液流向反应腔体3中，反应后液体流向出水口5，通过出水口5流入微型泵9中，微型泵9将液体输送到左侧的储液罐12中，左侧储液罐12可打开阀门13与右侧储液罐12交互，此时完成一个循环。当实验结束后可打开阀门16或阀门17，通过排液管排出废液或将储液罐12拆卸下来清洁处理。

参见装置主视图，扁平容器2上部的六边形空间均为透明可视的。打开反应腔体3的盖子，可向其中加入反应的固体颗粒物(如锌片)，储液罐12内可加入反应溶液(如稀硫酸)。气体产生后，被扁平容器2的形状“压扁”，呈现一个个近似圆柱形的空腔体(其高度很小)，并受到浮力而上升。用高清摄像机每隔一小段时间(t秒)拍摄扁平容器2的上部，拍摄视野的宽度大于扁平容器2的宽度，拍摄视野的高度为气泡经历t秒后平均上升的高度。利用图像识别技术，可以测量气泡圆柱体的横截面积S；通过微调旋钮的调节，可以控制扁平容器2的厚度h；这样，某一小段时间(t秒)内生成气体的体积为Sh，生成气体的速率为Sh/t，进而通过化学方程式系数的换算，可以轻松地得到化学反应速率。

此外，扁平容器2两端安装有补光灯6，增强了图像识别的效果，也便于观察者观察。微型泵9，18通过电位器连接计算机，其转速可根据反应速率的变化调节，让反应溶液持续、缓慢地流动，确保与固体反应物接触的溶液浓度恒定。

四、操作方法

本文以测量“某浓度的稀硫酸与锌片反应”的速率为例，介绍本装置的操作方法。首先，在右侧储液罐12中加入反应溶液—某浓度的稀硫酸，在反应腔体3中加入反应固体—锌片，把微型泵9，18连接电位器与计算机。接着，打开补光灯6，用高清摄像机拍摄扁平容器2，并把图像传给计算机。然后，依次打开阀门17、阀门10(如有必要，可在左侧储液罐中补充浓度较高的硫酸，调节浓度到原定值后，打开阀门13构成循环)，调节微型泵9，18控制反应溶液流量。最后，用计算机识别图像中的气泡面积，自动计算单位时间内的气泡生成速率，推导化学反应速率。测量结束后，打开阀门14，15排出废液或将储液罐12拆下清洗，将反应腔内的反应残渣倒出。

五、实验优点

本实验利用一种挂壁式产气速度测量仪测量液体与固体反应生成气体的速率，有如下优点。

(1)可以非接触地测量化学反应生成的气体体积，避免干扰反应进程。(2)反应溶液不停地流动，保证与反应物固体接触的溶液浓度恒定，降低误差。(3)反应腔体内可自由放置固体颗粒物，采用倒梯形可使颗粒物均匀集中。(4)扁平容器厚度较小，其厚度可通过微调旋钮调节，可以把气泡“压扁”为合适的高度，便于图像识别并计算反应气体的体积。(5)储液罐可拆卸、易清洗，储液罐底下装有排液管，方便排出废液。