数字化实验在干燥剂干燥性能研究中的应用

盛俭发 徐泓

（1.宣城市第二中学 安徽 宣城 242000;2.宣城市教体局教研室 安徽 宣城 242000）

摘要：利用相对湿度传感器对几种常见干燥剂：碱石灰、硅胶、无水氯化钙、浓硫酸的干燥效果开展定量研究，对密闭容器中空气的干燥效果：硅胶>浓硫酸>无水氯化钙>碱石灰;对实验室制备氢气的干燥效果，浓硫酸>无水氯化钙>硅胶>碱石灰。

关键词：相对湿度传感器;干燥剂;氢气的干燥

文章编号：1008-0546（ 2021）08-0085-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.022

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。化学实验作为化学学科的重要内容，在发展学生化学学科核心素养方面具有积极的作用。笔者选择中学化学常见的干燥剂为研究对象，尝试借助数字化实验技术，通过实证的方式探究不同类型干燥剂的干燥效果，可以引导学生在探究过程中培养证据和思辨意识，进一步认识学科的价值。

一、问题的提出

碱石灰、硅胶、无水氯化钙、浓硫酸等干燥剂是中学化学实验中气体制备、纯化过程中常用的试剂，也是各类考试习题巾常见的考查内容。如人教版教材必修1的课后习题中有如下习题[1]：

在实验室中，常使气体通过干燥剂达到干燥气体的目的。选择干燥剂时应考虑哪些因素？干燥下列气体（SO2、NO、NH3）可选择哪些干燥剂？

显然该题的考查目的主要是要求学生：能根据所干燥气体和干燥剂的性质进行选择，以SO2为例，可以选择浓硫酸、无水氯化钙、硅胶等不同的干燥剂。那么这些干燥剂干燥效果是否一样呢？如何通过实验检测它们的干燥效果呢？实验室或生活中如何选择这些干燥剂呢？笔者带着这些问题和所授的高一学生借助数字化实验技术，以“不同干燥剂的干燥性能研究”为主题开展了实验研究。

二、实验设计

为检测不同干燥剂的干燥效果，本实验选择空气和实验室制取的氢气为干燥对象，分别选择碱石灰、硅胶、无水氯化钙、浓硫酸几种干燥剂，在相同条件下，利用相对湿度传感器分别测定上述几种不同干燥剂使用前后的湿度变化，以定量的方式衡量各自的干燥性能。同时，以相同时间内相对湿度的变化曲线表征干燥的速率和效果。

三、实验过程

1.实验仪器和药品

（1）实验仪器：

计算机、Vernier LabQuest Mini数据采集器、相对湿度传感器、50mL小烧杯、密闭容器、U型干燥管、洗气瓶、塑料袋。

（2）药品：

碱石灰（上海纳辉干燥试剂厂）、硅胶（青岛裕宝精细化工有限公司）、无水氯化钙（泰州市长埔化学试剂有限公司）、浓硫酸（天津市博迪化工有限公司）、锌粒、盐酸（1：2）

2.实验装置示意图

干燥空气和氧气的装置示意图分别如图1、图2所示。

3.实验内容

（1）将相对湿度传感器、数据采集器、计算机相连;将相对湿度传感器探头分别插入装有50 9无水氯化钙和碱石灰的两个相同的密闭容器中（如装置示意图1），开始用logger Pro采集数据，通过软件分析并以时间为横轴、相对湿度为纵轴作图，得到图3曲线，以比较无水氯化钙和碱石灰的干燥性能。

（2）用浓硫酸和硅胶代替（l）中的无水氯化钙和碱石灰，重复（l）操作。得到图4曲线，以比较浓硫酸和硅胶的干燥性能。

（3）用硅胶代替（1）中的碱石灰，重复（1）操作。得到图5曲线，以比较无水氯化钙和硅胶的干燥性能。

（4）用浓硫酸代替（l）中的碱石灰，重复（l）操作。得到图6曲线，以比较无水氯化钙和浓硫酸的干燥性能。

（5）利用锌与稀硫酸反应制取氢气，连接装置如示意图2。分别将图中“干燥剂”以无水氯化钙、碱石灰、硅胶、浓硫酸進行实验（测浓硫酸时，用洗气装置代替U型管），用logger Pro米集数据，通过软件分析并以时间为横轴、相对湿度为纵轴作图，分别得到图7-10，以比较不同干燥剂对氢气的干燥性能。

四、结果与讨论

1.利用相对湿度传感器同时检测两组不同干燥剂干燥空气的相对湿度变化

通过每组实验，记录两种不同干燥剂起始相对湿度（相同）和干燥后密闭容器内相对湿度数据，计算出相对湿度差值，可以了解在相同时间内干燥速率和干燥效果;如表l所示。

以时间为横轴，相对湿度为纵轴;每组干燥剂都是在相同时间内（大约30000秒），不同温度下采集，分析数据得出不同干燥剂干燥效果：硅胶>浓硫酸>无水氯化钙>碱石灰;从干燥速率来看，也是这个顺序;其中碱石灰干燥空气的相对湿度不降反升的异常现象，说明对于湿度不大的空气，碱石灰不但达不到干燥的效果，还让湿度增大。究其原因可能是由于碱石灰制备过程本身含有水，因此碱石灰不适宜干燥密闭空间空气里的水蒸气。

2.利用相对湿度传感器检测不同干燥剂干燥氢气前后的相对湿度变化

通过每组实验，记录不同干燥剂起始环境相对湿度和干燥氢气前后相对湿度数据，比较干燥效果;如表2所示。

以时间为横轴，相对湿度为纵轴;分析采集干燥氢气前后的相对湿度数据得出，在通入采集数据大约300秒时，表2直观显示，浓硫酸干燥氢气效果最好，而在密闭容器中硅胶效果最好，这和硅胶的形状有关，硅胶球形，有间隙，使得气体不能充分接触干燥，液态的浓硫酸有利于气体的干燥，所以浓硫酸干燥效果大于硅胶。碱石灰颗粒状，也有间隙，与气体开始相对湿度相比有一定的干燥性，但是最后相对湿度比环境湿度还要高，这更加证明了在密闭系统干燥时不降反升的原因，效果最差;无水氯化钙片状，颗粒之间间隙不大，干燥效果也很好。

干燥氢气效果比较：浓硫酸>无水氯化钙>硅胶>碱石灰;当然对于干燥气体的干燥剂效果优劣与产生气体的速率、制备气体反应物浓度、干燥剂的状态、干燥剂的用量都密不可分。

五、结语

对于常见的干燥剂，传统实验比较其干燥性能繁琐，通过相对湿度传感器的数字化实验“实时监控”全过程，直观、生动地呈现出来，数字化实验对于化学四重表征中的微观表征和曲线表征更是有独特的优势，其在课堂上的运用是传统实验的重要补充，基于真实情境，实际问题，利用学科知识解决问题，提高学生学科核心素养[2-3]。

参考文献

[1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书：化学（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007

[2]盛俭发，徐泓，郑军.二氧化碳制备中对盐酸挥发性的监测[J].化学教学，2018（8）：66-68

[3]徐泓，夏建华.学科核心素养：化学试题评析的新视角——以2017年高考全国理综卷化学试题为例[J].中学化学教学参考，2018（ 1-2）：74-78