基于手机光传感器定量探究影响化学反应速率的因素

汪阿恋 叶燕珠

（福建教育学院化学教育研究所，福建 福州 350025）

一、实验研究背景

“探究影响化学反应速率的因素”是高中阶段的一个重要实验，人教版高中化学新教材（2019 版）以硫代硫酸钠和稀硫酸为反应体系，定量探究浓度、温度这两个因素对化学反应速率的影响。教材实验通过传统的目测方法，记录、比较出现浑浊现象所需的时间来判断反应的快慢，但由于个体感官的感知差异性，判断出现浑浊所用的时间存在一定偏差，影响实验结果的准确性。基于此，有研究者利用传感技术，例如浊度传感器［1］、自制的简易光敏传感器［2，3］，来定性定量探究浓度和温度对化学反应速率的影响，通过准确测定的数据和直观的曲线来表征反应过程，增强了实验的可视性和结果的可信度。浊度传感器需与数据采集器、电脑搭配使用，自制传感器则存在加工改造繁琐的问题，降低了它们的实用性和便捷性，而现今广泛使用的智能手机内置压力、光线、温度等多种传感器，结合相应的APP，可以方便快捷地测量压强、光强、温度等多种物理量。目前已有学者利用手机光传感器来改进“探究影响化学反应速率的因素”这个实验，比如卢雨辰［4］、柴红梅［5］分别在不同的实验条件下探究浓度对高锰酸钾和草酸反应速率的影响，卢雨辰在实验中以Led 手电为光源，采用“科学日志”APP，而柴红梅则以绿色Led 小灯珠为光源，利用phyphox 软件记录照度随时间的变化曲线；韩怡［6］以“硫代硫酸钠和稀硫酸的反应”为反应体系探究浓度对反应速率的影响，并将研究成果应用于教学实践

分析基于手机光传感器探究反应速率的影响因素的已有研究，发现所使用的光源、手机APP、反应体系、实验结果分析等方面都存在异同，大多直接通过比较不同条件下获得的光强-时间曲线，简单表述浓度或者温度对反应速率的影响，未给出浓度、温度与时间的定量关系。本实验在已有研究的基础上，考察不同光源的稳定性进而选择合适的光源，搭建简单的装置减少环境光、操作动作对照度测定的干扰，分别在不同浓度的硫代硫酸钠溶液、不同温度下，测定硫代硫酸钠和稀硫酸反应的照度-时间曲线，采用Excel软件对实验数据进行分析和处理，得出硫代硫酸钠溶液浓度-时间、反应物温度-时间的定量曲线，直观而定量地表征反应物浓度和温度对反应速率的影响。

二、实验原理

手机内置的光传感器能够感知周围环境光的变化，其核心部件是光敏电阻，是一种利用半导体光电效应制成的对光线十分敏感的特殊电阻器。当环境光聚焦并通过投光器传送到光敏电阻上时，可将光信号转换为相应的电信号，电阻值随入射光的强弱而变化，从而得到光线强度的模拟信号，通过采集器的模数转换数字信号并保存下来，利用相应的手机APP 实现照度的测量和记录。

硫代硫酸钠和稀硫酸的反应如下：Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O，反应生成难溶于水的硫单质，导致溶液变浑浊，光线传递的减弱而使手机光传感器APP 测定的照度值减小，因此可用照度-时间曲线来表征反应的进程，通过对比不同浓度溶液、不同温度下反应的变化曲线，分析所得数据，可定量研究浓度、温度对化学反应速率的影响。

三、实验仪器和试剂

实验仪器：智能手机（华为P40 Pro，iPhone 8）、台灯（Panasonic，HHLT0421）、Led手电筒（SHENYU，1012-20W）、移液枪（大龙，100～1000 µL，1～5 mL）、恒温水浴锅（鸿泽仪，HH-2）、电子天平（赛多利斯，BS124S）、烧杯（10 mL）。

实验试剂：硫代硫酸钠（Na2S2O3）溶液（0.04 mol/L、0.05 mol/L、0.08 mol/L、0.10 mol/L、0.12 mol/L、0.16 mol/L、0.20 mol/L）、H2SO4溶液（0.05 mol/L、0.10 mol/L、0.50 mol/L）、蒸馏水、橡皮泥。

四、实验过程

（一）手机App 的安装和使用

在手机软件应用商店或者手机浏览器，查找Phyphox 软件，下载并安装。开启软件，选择“光”菜单可调用手机内置光传感器。记录光强有图表和简明值两种模式，点击操作界面右上角的白色三角形即可开始测量光强并记录，点击右上角的“︙”可以查看及运用更多功能如查询实验信息、导出数据、分享屏幕截图、定时运行等。

（二）实验装置搭建

手机光传感器灵敏度高，光源与手机的距离、手机与烧杯的相对位置、光环境的变化、近距离操作以及烧杯表面眩光等都可引起照度的波动，因此通过搭建一个简单的装置来固定设备以减少干扰。利用黑色橡皮泥在光线传感器（位于手机听筒左侧）上方拉出一个中空的圆筒用于放置烧杯，圆筒下端固定于台面上，待橡皮泥固化后即可移动烧杯和手机，测定时放入相应的位置可保持两者的相对位置不变。将光源置于烧杯的正上方，手电筒、提供光源的手机用铁架台、铁夹固定住，放入待测样品，测量过程中不可移动设备。

（三）实验测定及数据处理

将10 mL 烧杯置于橡皮泥圆筒中，加入2 mL Na2S2O3溶液，运行软件，待环境光强基本稳定后，点击右上角的清除数据菜单，往烧杯中加入2 mL H2SO4溶液，再次运行程序，记录照度随时间的变化数据，待照度逐渐下降至最低点且基本稳定时，点击右上角白色双竖线暂停实验，再点击白色“︙”—“导出数据”菜单以“Excel”的形式导出“时间-照度”数据，最后选择“分享”采用微信、QQ 或者其他方式分享和存储数据。将获得的“Excel”格式的实验数据打开，以反应时间为横坐标、照度为纵坐标绘制“时间-照度”变化曲线，再根据需求对数据进行进一步的分析和计算。

五、结果与讨论

（一）光源的选择

手机光传感器用于检测环境的光强度，测量数据的精密度与光源的稳定性密切相关。为得到理想的实验效果，分别对Led 手电筒、手机、日光灯及台灯进行光强度稳定性测试，从而选择合适的光源。在自然光下，分别在上述光源下，使用手机光传感器测量光源的照度并记录（测量时长为10 min），比较所得照度数据的相对标准偏差（RSD）。以日光灯、iPhone 手机、Led 手电、台灯为光源，记录的10 min 照度数据的RSD分别为1.00%、0.63%、1.38%、0.22%，可以看出台灯的光照稳定性最强，手机光源次之，而使用Led 手电为光源测定过程中照度值不断下降，稳定性最差。另外，在不同光源下测定2 mL 0.10 mol/L Na2S2O3溶液与2 mL 0.10 mol/L H2SO4溶液反应过程的照度变化曲线，如图1 所示。从图中可以看出，在不同光源照射下，随着反应溶液浊度的增加照度不断下降而后趋于稳定，还可观察到反应初期出现较大的照度波动，可能是因加入H2SO4溶液与Na2S2O3溶液混合造成的，其中以采用手机光源和手电筒光源时照度波动较大，证明其稳定性较差，而以台灯为光源时，初始测量时照度波动最小，且在测量过程中会出现一个明显的照度突降（图1 中用椭圆虚线标出的位置），可通过比较出现突降的时间衡量化学反应速率的快慢，故而在后续实验中选择以台灯作为光源。

图1 不同光源条件下Na2S2O3 与H2SO4 反应过程的照度-时间曲线

（二）Na2S2O3浓度对反应速率的影响

按照实验测定方法，在H2SO4溶液浓度为0.50 mol/L 时，测试不同浓度的Na2S2O3溶液（0.04 mol/L、0.08 mol/L、0.12 mol/L、0.16 mol/L、0.20 mol/L）对反应速率的影响，实验结果如图2 所示。图2 A 为不同浓度Na2S2O3溶液下的Na2S2O3-H2SO4反应过程的照度-时间变化曲线，可以看出，随着Na2S2O3溶液浓度的增大，反应过程中照度下降的速度越快，出现照度突降的时间（t突降）越短，证明反应速率越快，采用t突降来表征反应速率。将Na2S2O3溶液浓度与t突降进行曲线拟合（图2 B），发现曲线呈幂函数关系，曲线方程为y=2.5261x-1.142，拟合相关系数R2高达1，说明该方法可以准确、定量体现浓度与反应时间的关系，从拟合的曲线可直观看出随着Na2S2O3溶液浓度的增大，t突降逐渐减小，反应速率加快。

图2 不同Na2S2O3 溶液浓度下的照度-时间曲线（A）、Na2S2O3溶液浓度与t突降的定量曲线（B）

（三）温度对反应速率的影响

将0.05 mol/L Na2S2O3溶液和0.05 mol/L H2SO4溶液置于水浴锅中进行保温。分别测定不同温度下（30、40、50、60、70℃）的反应溶液的照度-时间变化曲线，结果见图3 A。从图中可以看出，反应物温度越高，相同时间内照度下降得越多，反应速率越快。通过绘制反应物温度-t突降曲线图（图3 B），可以发现两者呈现良好的指数函数定量关系，曲线方程为y=254.72e-0.04x，相关系数R2=0.9993，从曲线中可明显看出，随着反应物温度的升高，t突降减小，反应速率提高。

图3 不同反应物温度下的照度-时间曲线（A）、反应物温度与t突降的定量曲线（B）

六、结语

手机光传感器灵敏度高，移动设备或近距离操作会使照度发生波动，使用价廉易得的橡皮泥搭建简单的实验装置来固定烧杯和手机，可有效减少干扰，提高检测数据的稳定性。以台灯为光源，发现Na2S2O3溶液与稀硫酸反应过程中会出现明显的照度突降，只要试样在相同的光源条件下测定，在测量过程中不移动设备，Na2S2O3溶液与稀硫酸的混合、测量过程中光源的轻微波动，基本不会对t突降造成太大的影响，故巧妙地使用t突降来准确表征反应速率，实现定量测定。相较于已有的利用光线传感器探究影响化学反应速率因素的实验改进方案中，首次得出反应物浓度与时间、反应物温度与时间之间的定量关系，通过数据曲线可以清晰、直观地呈现浓度和温度对反应速率的影响。本实验改进所用器材简单，操作便捷，可与投屏软件相结合，将实验数据动态、实时地呈现给学生，不仅加深学生对于浓度、温度与化学反应速率之间的定性关系的理解，还可通过对数据的定量分析，发展学生的定量研究思维。