基于智能手机传感器的手持技术在化学实验中的应用

洪俊华 赵宁东 刘俊 刘江

摘要：为研究碘钟振荡反应随氢离子浓度的变化规律，在自制“暗箱”内以LED灯作为光源，用手机软件和手机内置光线传感器做检测系统，将透过不同浓度氢离子碘钟振荡体系光强度变化转化为数字信号的变化，绘制出碘钟振荡反应周期性变化曲线。实验结果表明：随着氢离子浓度的改变，振荡周期、周期稳定性及各阶段持续振荡时间变化能在曲线上表现出来。为研究碘钟反应提供一种新的技术和方法。

关键词：振荡反应;手机传感器;数字信号;碘钟反应

文章编号：1008-0546（2020）09-0085-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

手持技术是由传感器、数据采集器和配套分析软件组成的实验技术系统，它不仅是一种先进的定量采集科学实验中各种常见数据呈现直观可视的曲线图像的现代教育信息技术，也可以作为有助于学生克服抽象概念学习难点的认知工具。

振荡反应是指在某一体系中，某些状态量（如物质的浓度，电极电势）随时间、空间发生周期性变化的反应。在自然界中有很多生物化学例子，如动物的脉搏、体温、血压随着昼夜变化做周期性变化，控制人体生理活动的“生物钟”，昆虫翅膀周期性的振动等。非生命的碘钟反应也是一种化学振荡反应，神奇的现象吸引着科学爱好者。综合分析文献资料发现，化学教育领域关于碘钟实验的报道多集中于化学史的梳理及用不同的试剂来完成实验设计，在实验过程中多数采用肉眼观察颜色变化和计时器计时的方式研究周期性变化和反应持续总时间。碘钟反应颜色振荡具有动态性，靠肉眼观察颜色变化很难准确判断颜色变化的关键点，不方便计时。林瑞莲等通过自编计算机程序的方法改进了碘钟实验中数据采集与处理，实验过程需要手动点击鼠标完成数据的记录。孙影等利用氧化还原传感器（ORP）与相应数据采集器获取反应过程中体系“时间一电位”变化，从微观角度帮助学生了解实验现象背后的反应本质，效果好于肉眼观察。

在碘钟振荡体系中溶液呈现出“无色一琥珀色一蓝色”周期性变化。基于此，用“Phyphox”软件调用手机内置传感器，把透过碘钟振荡体系光强度的变化转化为数字信号变化并绘制成信号变化曲线，曲线能够直观地显示振荡体系颜色的变化，解决了振荡实验的实验颜色变化终点难以捕捉和计时不方便的问题。

一、实验

1.实验器料与药品

（1）实验器材

电子天平（梅特勒一托利多仪器（上海）有限公司），智能手机（华为FIG-ALOO），笔记本电脑，烧杯，量筒，LED灯，自制“暗箱”。

（2）实验药品

所有药品均为分析纯。碘酸钾、丙二酸、硫酸锰（MnSO4·H2O）、可溶性淀粉、30%过氧化氢、浓硫酸。

2.溶液的配制

溶液A：将97.OmL 30%过氧化氢溶液加水稀释至250mL;溶液B：将2.61g丙二酸和0.76g硫酸锰及0.10g可溶性淀粉溶解稀释至250mL;溶液C：根据表1用硫酸调节氢离子浓度，保持逐级递增0.06mol/L，形成氢离子浓度不同的8种浓度为0.20mol/L碘酸钾溶液。

3.实验过程

在手机“软件市场”搜索“传感器套件：phyphox”（3.3M，免费）下载安装。启动软件，点击“Light”菜单调用手机内置光线传感器，点开手机右侧功能选项卡“Allow remote access”菜单方框中打勾激活数据共享功能，电脑浏览器菜单栏中输入手机屏幕下方弹出的地址使二者建立连接，实现电脑上控制手机软件及观察曲线变化和保存实验数据，“Time Run”菜单打勾设延时5s，持续记录时间设为500s，也可根据需要设置。

搭建图1所示的实验装置，在自制“暗箱”顶部固定一个LED灯，通电点亮预热5min。关闭手机屏幕“自动亮度模式”并调至适宜亮度置于LED灯正下方，把小烧杯放到手机的光线传感器正上方。运行软件，观察到曲线呈稳定的水平直线即可开始实验。加入20mL溶液A、20mL溶液B，在电脑点击“开始”按钮运行程序，立即加入20mLCl溶液混合，体系氢离子浓度为原来的1/3即0.02mol/L，搅拌均匀关闭暗箱，在电脑观察曲线变化，待曲线下降到最低点不再变化时停止实验，点开电脑右侧更多功能选项卡“Export Data”菜单以“Excel”的形式导出“时间-光强度”数据存入电脑待用，重复实验两次。按上述方法，测其余7组不同氢离子浓度时间与光强度变化的数据。

二、实验结果与分析

将所得实验数据导入“Origin2017”以反应时间为横坐标，光线强度为纵坐标绘制“时间-光强度”变化曲线如表2（表中氢离子浓度为三种溶液等体积混合后浓度）。利用“Origin”自带的“数据读取器”读取相邻两个峰最高点的时间差计算出振荡周期，表3为振荡次数和各阶段持续时间（均为三次实验平均值）。

通过分析表2和表3可以得出：不同氢离子浓度振荡体系周期变化、周期稳定性及振荡持续总时间不相同。氢离子浓度为0.02mol/L体系现象不明显，氢离子浓度为0.04mol/L体系振荡持续总时间最长，振荡次数最多;氢离子浓度为0.06、0.08mol/L的体系振荡持续总时间较长。氢离子浓度为0.16mol/L的持续总时间最短，振荡次数最少。氢离子浓度从0.04mol/L起，随着氢离子浓度的增大，周期和蓝色持续时间变长，振荡次数和持续总时间减少。在同一氢离子浓度体系中，随着反应的进行，周期和蓝色持续时间变长，振荡结束时曲线下降到最低点，图2代表振荡过程中“无色一琥珀色一蓝色”的颜色交替变化过程。

振荡过程实际上是碘元素发生歧化反应的过程，过氧化氢既做氧化剂又做还原剂。一定浓度氢离子，改变碘酸根离子的氧化性，主要存在以下反应：

曲线变化与溶液颜色变化一一对应，溶液混合初碘离子浓度较低，二价锰离子被氧化成三价锰离子且浓度逐渐增大（1）-（2），体系颜色由无色变为琥珀色，曲线从最高点开始下降（图3A→B段）。随着反应进行碘离子浓度增大，碘酸根与碘离子反应产生碘单质不断积累和淀粉反应使体系成蓝色（3），曲线迅速下降到最低点（图3B→C段），蓝色持续时间为（图3C→D段），碘单质与丙二酸反应生成碘代丙二酸，碘单质浓度降低，蓝色褪去体系变为无色（4），曲线迅速上升（图3D→E段），体系为无色时曲线达到最高点（图3E点）。三价锰离子具有较强的氧化性，碘代丙二酸被氧化成甲酸，二氧化碳和碘离子（5），同时三价锰离子被还原成二价锰离子，完成振荡周期（图3A→E段和F→G段）。反应过程中产生的次碘酸具有自催化作用，下一个振荡反应又开始。随着氢离子浓度增大碘酸根的氧化性增强，产生的碘单质增多，丙二酸消耗碘所需时间变长，蓝色持续时间变长。在同一氢离子体系中，随着反应进行产生的碘单质不断积累，丙二酸浓度降低，蓝色持续时间变长。最终因大量的碘单质不断积累不能被丙二酸消耗完体系成深蓝色，颜色振荡停止。

实验中应注意，笔记本电脑和手机必须连接同一个无线局域网，LED灯的亮度800-1400Lx为宜;软件设置延时可以减少操作对实验的干扰，延时设为5s即点击“开始”5s后开始采集记录数据，可充分利用延时功能减少实验干扰。实验废液中有大量碘单质应妥善处理回收利用，减少环境污染。

三、结论

实验通过“Phyphox”软件调用智能手机内置光线传感器把光信号的变化转化为数字信号的变化，将实验现象变化动态过程以曲线形式直观清晰的表达出来，实现了数据和图像相结合，最终将图像呈现在电脑屏幕上。手机内置传感器结合相应的应用程序能快速地把物理量變化精确的转化为数字信号变化，并能自动采集、处理加工传输，且数据的变化与实验现象变化和过程同步。在实验教学中充分借助智能手机和相应软件调用手机自带的传感器组织实验教学、记录学生实验数据与过程，构建新型实验教学模式。结合时下前沿科技，在实验教学时采用多种传感器对反应体系进行测量，从多个角度进行多因素探究。以智能手机实验作为起点将实验与人工智能、大数据相结合让实验教学数字化，现象和过程可视化。