化学反应速率测定实验的数字化设计——手机压力传感器的应用

湖北省安陆市第一高级中学(432600) 杨世全

1 问题的提出

“定量测定和比较化学反应速率”属于人教版选择性必修1化学反应原理第2章第1节内容，该实验利用锥形瓶和分液漏斗组装成反应容器，用注射器作为量取气体的仪器，锥形瓶内放置Zn粒，向分液漏斗中加入稀硫酸，测定产生10 mL气体所需要的时间，通过单位时间内气体体积的变化量表征化学反应速率，并比较反应速率的快慢，实验装置如图1所示。在实施该实验的过程中，出现了如下几个问题：①整套装置属于封闭体系，硫酸难以滴入，且加入的硫酸的体积会影响气体体积；②该装置在常压下气密性良好，当容器内气体增多则装置气密性变差；③实验进行的过程中，注射器活塞摩擦力大，导致活塞在瓶内压强增大到一定程度才开始移动，不同注射器活塞摩擦力不同，因此内部气体压强和外界气压不相等，导致体积测量出现误差；④该装置测定的是平均速率，不能观察到瞬时速率的变化。

该实验虽然装置简单，操作容易，但是准确测定反应速率有较大难度。经过检索“化学反应速率测定”实验的改进，发现大多数改进是基于对该装置的改进，对试剂用量的改进；一部分教师也进行了数字化的改进，使用的仪器为压力传感器、数据收集器、计算机(带专业数据处理软件)等。目前在大多数普通高级中学实验室中并没有配制这样的数字化实验装置，因此难以实现该实验的数字化设计。

随着手机的不断发展，智能手机中装备了越来越多的传感器，如气压感应器、三轴陀螺仪、加速感应器、距离感应器、环境光传感器等。因此，笔者设想用智能手机测量压强，设计一个能准确测量化学反应速率的实验装置。

2 实验设计

2.1 实验原理

在化学反应原理教材中，测量反应速率的标准是测量单位时间内气体体积的变化，而人教版教材化学必修2第6章“练习与应用”第9题则设计了测定压强的变化实验，通过压强的变化可以认识速率的变化。以此为参考，可以利用智能手机中的压力传感器作为测量压强的仪器，测量Mg与稀硫酸反应过程中产生的H2压强，借助Phyphox软件收集压强数据，分析数据绘制图像，同时可以通过Phyphox上的选取数据的功能选择一段时间内压强的变化数值，用压强变化表征反应速率大小，并对比反应速率的大小。

2.2 实验装置的设计

考虑到用智能手机测量气体压强，所收集的气体中不能含有容易腐蚀手机的气体，因此将必修2习题中的盐酸改为稀硫酸，减少除杂装置的设计，参考教材使用的盐酸浓度，将稀硫酸的浓度设为0.5 mol/L，则溶液中的H+浓度为1 mol/L，等同于1 mol/L的盐酸。

经过对教材中实验装置的分析，利用手机测定压强的实验装置，需要注意装置气密性，且能够放入手机。以iPhone 6的尺寸为例，其长为13.8 cm，宽为6.7 cm，实际考虑其突出的按键，则最宽处为7 cm，因此需要寻找一个可以储气的装置，长度大于14 cm，宽度大于7 cm，生活中常见的容器有塑料饼干瓶和玻璃罐头瓶(见图2)。

在常压下，将两种容器放入水中，两者均不漏气、不渗水，说明常压下两种容器的气密性较好。进行一组测定实验后，发现塑料饼干瓶中气体的压强变化曲线如图3(a)所示。从图中可以看出，反应之前装置内压强数据基本不变，反应开始后，压强迅速增大，当压强增加到1 010 hPa左右时，压力开始下降，之后压强持续降低，但是观察试管中的现象发现Mg条和稀硫酸仍然在发生反应，说明该装置在压力上升到一定程度后气密性变差，因为压强增大时瓶盖和瓶身之间容易出现缝隙，导致气密性变差，不适合作为储气的容器。玻璃罐头瓶的测定结果如图3(b)所示，可以看出随着反应的进行，瓶内压强持续上升，直至反应完全，压强趋于一条水平线，因此玻璃罐头瓶可以作为储存气体的装置。在生活中，玻璃罐头瓶通常需要在负压下保存罐头，因此其耐压性较好，所以适合作为本实验的储气容器。

图3 塑料饼干瓶和玻璃罐头瓶中压强变化曲线

由于手机压强传感器比较灵敏，所以试剂的用量可以减少，选择4 mL 0.5 mol/L的H2SO4和足量Mg条为宜，保证实验过程中压强有一定的变化，且反应在10 min左右即停止，Mg条不易过多，一般选择2段3 cm长的Mg条，反应容器可以选择试管或Y型管。在进行Mg和稀硫酸反应的实验时会产生大量的水汽，为了保证手机不受损害，因此在反应容器之后增加一个干燥装置。利用Y型管混合溶液，保证从实验的开始阶段就可以测量压强变化。实验设计图如图4(a)所示，实物装置如图4(b)所示。

图4 实验装置设计图和实物图

2.3 实验试剂及仪器

实验试剂：Mg条(足量)、4 mL 0.5 mol/L稀H2SO4、无水CaCl2。

实验仪器：试管、橡胶塞(带孔)、输液管、Y型管、玻璃罐头瓶、棉花、砂纸、小刀、镊子、智能手机(带压强传感器、Phyphox APP)。

2.4 实验的操作与步骤

2.4.1 实验装置的组装及实验前的准备

(1)简易干燥器的制作：取医用输液管，将滴壶一端剪开形成大口，另一端不变，去掉多余的细软管，在滴壶中装入一小团棉花，轻轻堵住细管口，加入足量无水CaCl2，用棉花堵住大口。将带细软管的一端插入带孔的橡胶塞中，制成简易干燥器。

(2)取2段3 cm的Mg条，用砂纸将表面的氧化膜打磨干净，用镊子夹取放入Y型试管一端的底部，Y型管的另一端则加入4 mL的稀硫酸，用组装好的橡胶塞塞住试管口。

(3)将iPhone 6手机打开，设置成屏幕常亮模式，打开Phyphox APP，进入压力测量界面，点击开始，或者设置定时开始，放入罐头瓶中。教师演示实验则可以打开手机投屏软件，将手机屏幕投放到电子白板上，此时Phyhox测压界面会在电子白板上显示。

2.4.2 实验操作

将罐头瓶瓶盖盖好，观察手机中压强的变化，一段时间，压强趋于稳定，则装置气密性良好，此时，将罐头瓶倾斜，迅速将Y型管中的硫酸和Mg混合，记下混合的时间。观察屏幕中压力曲线的变化，当压力数值趋于一条平滑直线时，打开罐头瓶瓶盖，拿出手机点击Phyphox软件中暂停键，停止测压。

2.5 实验数据的分析与处理

观察所测曲线，利用Phyphox APP中选取数据的功能，在绘制的p-t图像中，可以选择反应开始一段时间内的数据和反应进行一段时间后的数据进行对比(见图5)。

图5 Mg与稀硫酸反应的压强变化曲线

初始阶段：时间Δt=40.49 s，Δp=17.479 hPa，计算出这一段时间内平均反应速率(用压强表示)为：v=0.431 7 hPa/s；200 s之后：时间Δt=40.48 s，Δp=2.62 hPa，计算其平均反应速率为：v=0.064 7 hPa/s。说明反应开始阶段其平均反应速率较快，之后反应速率变慢。从曲线的陡峭程度可以看出，最开始曲线较陡，说明压强变化快，反应速率较快，之后曲线较为平缓，压强变化慢，则反应速率较慢，从图中可以得出结论，Mg与0.5 mol/L H2SO4反应，随着硫酸逐渐消耗，H+浓度逐渐降低，反应速率逐渐减小。

将收集的数据导出，利用Origin软件可以求导得到瞬时速率的变化曲线，如图6所示，从瞬时速率的变化曲线上可以分析出，随着反应的不断进行，瞬时反应速率先增大后减小，可以进一步帮助学生分析Mg和稀硫酸反应的过程中影响速率变化的因素。

图6 Mg与稀硫酸反应的压强变化曲线和瞬时速率变化曲线

3 实验创新与总结

首先，本实验从表征数据上做了改进，从测量体积到测量压强，从计算平均反应速率到分析瞬时速率，从表格数据到图像数据，利用不同的测量方式，实现不同的化学反应速率的表征。其次，本实验的改进更贴近化学反应的实际情况，融入图表信息的处理，可以提升学生数据处理和图表的辨识能力。改进后的装置，实验取材简单，操作容易，利于学生自主研究创新，推广性强，可以培养学生自主创新能力。