利用pH传感器探究“二氧化碳与水的反应”

许艳梅

摘要：人教版《初中化学》上册第六单元实验6-5，探究了“二氧化碳能与水的反应”的化学性质，实现对二氧化碳性质的感性认识，进而培养学生学习化学的兴趣。但是该实验步骤繁琐易导致实验失败，课堂教学内容不易落实，更不能凸显探究实验的科学性、直观性。利用手持技术改进该实验，用pH传感器实时测定液体pH从7.0降至4.34，直观地证明CO₂和水反應产生酸;还可以通过压强传感器测定密闭容器中气体压强的变化来培养学生在数字化实验中分析数据的能力。

关键词：手持技术;pH传感器;二氧化碳和水反应;数字化实验

文章编号：1008-0546（2022）03x-0081-02    中图分类号：G632.41    文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.020

一、问题的由来

“二氧化碳与水的反应”的实验出自人民教育出版社《初中化学》上册第六单元的实验6-5[1]。（图1）

教材用四朵石蕊溶液染成的紫色干燥纸花分别进行如下实验：

（I）第一朵纸花喷稀醋酸后变红，说明酸能使紫色石蕊溶液变红。

（II）第二朵纸花喷水不变色，说明水不能使紫色石蕊变色。

（III）第三朵纸花直接放入干燥的二氧化碳气体中不变色，说明二氧化碳不能使紫色石蕊变色。

（IV）第四朵纸花先喷水后再放入充满二氧化碳的集气瓶中，纸花变红，说明二氧化碳与水发生化学反应，生成新物质碳酸。

该实验利用二氧化碳溶于水使纸花变红的过程，来探究二氧化碳与水反应的化学性质，实现对二氧化碳性质的感性认识，进一步培养学生学习化学的兴趣，调动他们学习化学的积极性。但是该实验准备时间过长，步骤繁琐容易导致实验失败，而且紫色石蕊小花从紫色变红色现象不太明显。课堂教学内容不易落实，更不能凸显探究实验的趣味性、科学性、直观性。

利用pH传感器实时测定液体的pH值可以直观地证明CO₂与水反应产生酸;还可以通过压强传感器测定密闭容器中气体压强的变化来培养学生在数字化实验中分析数据的能力[2]。

二、实验用品

启普发生器、升降台、带铁夹的铁架台、250 mL三颈烧瓶1个、两个单孔橡胶塞、一个双孔橡胶塞、注射器（50 mL）、计算机、数据采集器、pH传感器（Vernier pH Sensor）、压强传感器（Vernier GPS-BTA）、胶皮管、玻璃导管。

石灰石、稀盐酸、水、小木条、火柴。

三、实验步骤

1.按图2所示连接仪器，检查装置气密性;

2.测蒸馏水的pH;

3.在启普发生器中加入石灰石和稀盐酸产生二氧化碳，再用向上排空气法让二氧化碳气体充满三颈烧瓶，将盛有50 mL水的注射器和气体压强传感器通过橡胶塞固定到三颈烧瓶中间一口中，并将pH传感器也通过橡胶塞固定到三颈烧瓶上，将两只传感器通过数据采集器与计算机连接。

4.将压强校准为0 kPa，点击开始采集，17 s时将注射器中50 mL水匀速注入，通过pH传感器与压强传感器来检测瓶内的变化;

5.1032 s，通过充分振荡铁架台来振荡烧瓶，测量瓶内压强和pH的变化，1500 s时停止采集见图3和图4。

四、注意事项

1.实验0 s至83 s的这段时间，pH传感器探头与液体没有充分接触，所以显示的数值有异常。随着蒸馏水的不断注入，83 s后，pH传感器的探头逐渐充分接触液体，数值逐渐正常，图3记录的是83 s至1500 s 这段时间pH的变化情况。1032 s时振荡烧瓶的过程中pH传感器与液体没有充分接触导致数据有一些异常，一段时间后又恢复稳定。

2.在实际课堂上利用pH传感器探究二氧化碳与水的反应，只需要84 s至300 s这个时间段pH的数据就可以说明有酸产生，操作上更高效。

3.为了了解在密闭装置（250 mL烧瓶）中50 mL 蒸馏水静置时可以吸收多少二氧化碳，压强可以降低至多少（0 s至1500 s整个实验过程中相对压强的变化情况如图4），pH可以降低至多少，我们延长了实验的时间。

4.尽量将装置固定好，通过振荡铁架台来振荡三颈烧瓶，避免手直接接触三颈瓶，使手的温度影响实验结果。

5.注入蒸馏水之后，需将注射器恢复到原刻度，抵消因液体的注入导致气压的变化。

6.注入蒸馏水也要匀速，拉动注射器至初始位置也要匀速。

7.装置的气密性十分重要。

五、实验现象、数据分析和解释

1.注入50 mL蒸馏水之前，测得蒸馏水的pH为7.02。

2.17 s注入水后，气体被压缩，气压瞬间增大，54 s时，50 mL蒸馏水全部注入，相对压强增大到13.78 kPa（相对压强传感器初始值校准为0）。83 s时pH为4.47，pH从7.02降低至4.47，证明二氧化碳与水反应产生了酸。

3.54 s至100 s，将注射器匀速推动活塞回到初始位置，气压大幅度减小，小于初始压强，降低到-3.05 kPa。这主要是因为其他条件相同时，气体被抽走，气体压强降低。而且有部分二氧化碳溶于50 mL水中，故压强降低至0 kPa以下。pH从4.47增大为4.59，可能是其他条件不变时，压强降低使溶解在水中的二氧化碳变少。

4.注射器活塞拉回到50 mL后，关闭注射器的活塞，随着实验时间的延长，每隔100 s读取一个压强数据，如表1。

通过数据发现，100s往后二氧化碳气体还在不断溶解，导致气体压强持续减小。同时有更多的碳酸产生，导致pH降低。此时，气体压强和pH降低速度均很慢。

5.1032s时，振荡烧瓶，每隔100s读取的实验数据如表2。

通过对比振荡前和振荡后的数据，发现振荡可以让二氧化碳和水充分接触，充分溶解，充分反应，故pH与相对压强都出现了较明显的下降直至1400s达到平衡。

六、实验结论

实验过程中，pH从7.0降低至4.34，证明二氧化碳和水反应产生酸。

七、反思

1.实验中需要匀速注入水和匀速拉动注射器回到原刻度，拉动注射器的快慢会影响气压的实际变化情况。

2.存在的问题：CO₂中混有HCl和水蒸气，可能会对实验数据有影响。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]陈少俊，陈丹云，衷明华.基于手持技术探究催化剂用量对化学反应速率的影响[J].中学化学教学参考，2016 （3）：62.