控制变量法在数字化实验中的应用——以“影响化学反应速率的因素”为例

湖北省武昌实验中学(430061) 唐 苏

1 问题的提出

控制变量法早已渗透到物理、化学、生物等理科教学中，是探究实验中不可或缺的认知成分。“影响化学反应速率的因素”一节中，人教版化学选修4教材中的3个实验通过控制单一变量的方法分别研究了浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响。3个实验都是根据定性的实验现象得出结论，但这样的判断因人而异，没有定量的数据，实验结果往往不太准确。而数字化实验教学在继承传统实验教学的基础上，对其进行改进和补充，学生通过简单的数据处理，能够对数据背后隐藏的科学规律进行探究，从而有利于培养学生的科学素养。

2 实验原理与设计

2.1 浓度对反应速率的影响

2.1.1 实验反应方程式

5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4=10CO2↑+2MnSO4+K2SO4+8H2O

2.1.2 实验原理

古德贝格和瓦格于19世纪中期提出了基元反应的质量作用定律：基元反应速率与各反应物的浓度幂次方乘积成正比，各反应物浓度幂次方的指数等于化学方程式中对应物质的化学计量数。反应物的浓度越高，反应速率越快。

2.1.3 色度传感器原理

色度传感器用于测量有色溶液的透光率，相当于一台简易的分光光度计。通过对比透射光强度与发射光强度，可得到透光度。

本实验中随着反应的进行，酸性高锰酸钾溶液的颜色会逐渐褪去，透射光强度逐渐增加，反应相同的时间，透光度变化值与反应速率成正比，可以据此确定反应速率的大小。

2.2 温度对反应速率的影响

2.2.1 实验反应方程式

Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+S↓+SO2↑+

H2O

2.2.2 实验原理

大多数化学反应速率随着温度的升高而增加。范特霍夫曾总结出一条近似规律：温度每升高10 K，反应速率变为原来的2～4倍。

2.2.3 浊度传感器原理

浊度传感器是用于测量液体的浑浊度或化学反应过程中生成的沉淀量，即液体中悬浮物的多少。

在本实验中，随着反应的进行，当生成硫的量不断增加时，颗粒对光的散射增强，溶液的浊度值越大，由反应过程中溶液的浊度变化值可确定反应速率。

2.3 催化剂对反应速率的影响

2.3.1 实验反应方程式

2.3.2 实验原理

双氧水在常温常压下可以缓慢地分解成氧气和水，当它遇光、遇热、遇大多数金属氧化物和金属阳离子时，会加速它的分解。

2.3.3 氧气传感器原理

氧气传感器利用陶瓷敏感元件测量氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。在一定条件下，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。

在本次实验中，氯化铁作为催化剂时，催化效果好，试管中氧气的浓度增加明显；而硫酸铜作为催化剂时，催化效果差，氧气产生速率慢，易形成空气对流，导致相同规格的试管中氧气浓度变化不大。因此，通过测定相同规格试管中氧气浓度的变化，可以判断催化剂效果的好坏。

3 实验过程

3.1 仪器与药品

朗威DISLab 6.5数据采集器、计算机、色度传感器、浊度传感器、氧气传感器、比色皿、试管、量筒、滴管、0.005 mol/L酸性KMnO4溶液、0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液、1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液、0.1 mol/L Na2S2O3溶液、0.1 mol/L H2SO4溶液、0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L CuSO4溶液、10% H2O2溶液。

3.2 实验步骤

3.2.1 浓度对反应速率的影响

(1)如图1所示连接各装置，打开数据采集软件。

我们对化合物1的热性质进行了分析。从热分析曲线可以看出，化合物表现为两步失重，第一步，155-206℃，失重约为6.21%(理论值 7.5%)，归属为3分子水的失去。第二步,在206到340℃ 范围内失重约36.7%，相当于1个单纯配体oba的失去，理论值为36.25%。

图1 色度计实验装置

(2)色度计用蒸馏水和标准黑体校准。

(3)将2 mL 0.005 mol/L酸性KMnO4溶液和2 mL 0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液在试管中混合后，倒入比色皿中并立即放入色度计内并记录数据。

(4)将2 mL 0.005 mol/L酸性KMnO4溶液和2 mL 1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液在试管中混合后，倒入比色皿中并立即放入色度计内并记录数据。

3.2.2 温度对反应速率的影响

(1)如图2所示连接各装置，打开数据采集软件。

图2 浊度计实验装置

(2)浊度计用蒸馏水和标准浊度液校准。

(3)将4 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液、4 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液分别等分为两份，分别放在热水(70 ℃)和冷水(25 ℃)中保温。

(5)将放在冷水中的2 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液和2 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液在试管中混合后倒入比色皿中，立即放入浊度计内并记录数据。

3.2.3 催化剂对反应速率的影响

(1)如图3所示连接各装置，打开数据采集软件。

图3 氧气传感器实验装置

(2)氧气传感器用空气校准。

(3)取20 mL 10%双氧水于试管中，加入3 mL 0.1 mol/L的FeCl3溶液混合，利用氧气传感器记录数据。

(4)取20 mL 10%双氧水于相同规格的试管中，加入3 mL 0.1 mol/L的CuSO4溶液混合，利用氧气传感器记录数据。

4 实验数据记录与结果分析

4.1 浓度对反应速率的影响

将实验数据在Excel中作图，得到图4。图中a曲线表示2 mL 0.005 mol/L 酸性KMnO4溶液和2 mL 1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液反应过程中透光率的变化。b曲线表示2 mL 0.005 mol/L 酸性KMnO4溶液和2 mL 0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液反应过程中透光率的变化。由图中的曲线可以清晰地看到草酸浓度为1.0 mol/L时，反应大概从100 s时开始发生，到350 s时，反应基本结束；草酸浓度为0.5 mol/L时，反应大概从200 s时开始发生，到600 s时，反应基本结束。同时还可以看到，a曲线的斜率明显大于b曲线，也说明了a的反应速率比b要快。在相同条件下，草酸的浓度越大，反应越先开始，越快结束，也就意味着反应物浓度越大，反应速率越快。

图4 浓度对反应速率影响实验图像

4.2 温度对反应速率的影响

将实验数据在Excel中作图，得到图5。图中a曲线表示在热水中保温的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合后的浊度值。b曲线表示在冷水中保温的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合后的浊度值。由图中曲线可以明显看出在热水中保温的溶液一混合就开始反应，在90 s左右时反应结束，而在冷水中保温的溶液在60 s左右时才开始有明显反应，大概在500 s时反应结束。并且曲线a的斜率明显大于曲线b，说明相同浓度、相同体积的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合，温度越高，反应速率越快。

图5 温度对反应速率影响实验图像

4.3 催化剂对反应速率的影响

将实验数据在Excel中作图，得到图6。图中a曲线表示催化剂为0.1 mol/L FeCl3溶液时测定的氧气浓度的变化。b曲线表示催化剂为0.1 mol/L CuSO4溶液时试管中氧气浓度的变化。由图6可看出FeCl3的催化效果明显强于CuSO4。在其他条件均相同的条件下，FeCl3溶液作为催化剂，试管中氧气的浓度最大可达到约80%，而CuSO4溶液作为催化剂时，试管中氧气浓度最大仅约为24%。实验数据说明，双氧水在分解时，使用氯化铁作为催化剂的效果要明显优于硫酸铜溶液。

图6 催化剂对反应速率影响实验图像

综上所述，在其他条件相同的情况下，增大反应物的浓度反应速率增加，升高温度反应速率增大，不同的催化剂对反应的催化效果不同。对于双氧水来说，氯化铁溶液的催化效果明显优于硫酸铜溶液。

5 教学建议

本节课旨在培养学生对实验数据和图像的分析处理能力、实验设计中控制变量的思想以及综合设计实验的能力，因此，笔者将3个实验的顺序做了一些调整，环节如下：

5.1 温度对化学反应速率的影响

教师做完演示实验之后，引导学生从以下几个方面对实验数据的图像进行分析：①对图像进行描述；②起始值不同说明了什么；③斜率表示什么含义，斜率不同又说明了什么问题；④终点值是否相同？

本环节旨在培养学生对实验数据和图像分析处理的能力。

5.2 浓度对化学反应速率的影响

教师可以先给出不同浓度的高锰酸钾溶液、硫酸和草酸溶液，先让学生分组自主设计实验探究浓度对反应速率的影响，再对学生设计出的不同方案予以评价。如能否控制草酸或硫酸浓度？然后，根据最优的实验方案操作实验。最后，根据实验图像，计算不同浓度下的化学反应速率，复习前一课时的内容。

本环节旨在培养学生实验探究中控制变量的能力以及定量计算的能力。

5.3 催化剂对化学反应速率的影响

向学生介绍氧气传感器，然后由学生自主设计、完成实验，并对实验图像进行分析，从而得出结论。教师和学生共同对实验进行评价，同时拓展能否使用其他传感器(如压强传感器)，哪个实验方案更优(压强传感器对装置气密性要求较高，且产生的气体过多时，压强过大会导致胶塞喷出，实验有一定风险)？

本环节旨在考查学生在实验设计中控制变量的能力，以及培养学生综合设计实验的能力。