基于手持技术在中学化学实验中应用的研究
谢杭 陈剑峰
摘 要：中学化学反应速率的影响因素在高中化学知识体系中起到了承上启下的重要作用，验证速率影响因素的实验一直是教学的重点。现行中学化学教材中的实验存在不足。本文探讨利用手持技术改进测定反应速率的实验，灵敏度更高，节约药品，实时动态地采集信息，最后通过软件对图象进行分析，将化学反应速率直接量化。
关键词：DISLab；手持技术；速率；压强传感器；化学反应；恒压装置
1 研究项目的确定
中学化学教材上的反应速率的影响因素实验装置大都采用“套气球”来完成 [1 ]，操作看似很简单，但是在演示过程存在不足 [2 ]：两手各抓住气球往试管内加粉末，粉末容易粘附在气球内壁及试管内壁，实际参与反应的药品的质量不等；演示实验时很难保证同步操作；反应几秒内就能完成，用肉眼很难判断生成气体的速率的快慢；由于两个气球的张力不同，且瞬间压力不够，只能看到两个气球竖起后停顿一定时间后都慢慢膨胀，很难看出谁先放出气体。于是我决定利用手持技术尝试改进该实验装置。
2 项目的原理及基本思路
2.1 项目原理
2.2 项目思路
为准确、实时、快速和自动采集气体产生的气压变化曲线，选用了DISlab压强传感实验系统来完成。将实验过程或现象转化为可检测的物理信号，这也是科学研究中非常重要的“转化”思想。利用手持技术研究本项目，其灵敏度较高，必须保证实验装置气密性高，且要保证加药品后（反应瞬间）整体的压强相同。
2.3 拓展延伸
3 数字化比较化学反应速率装置的研制
3.1 实验材料
计算机、采集器、压强传感器2套、数据线2条、恒压分液器（注射器及输液管改装）2套、同流阀1个、6号橡胶塞2个、具支试管4根、试管架1个，量筒3个、橡皮管4根等。
3.2 实验装置的制作
（1）裁好5mm厚的有机玻璃，做成长方体主体支架。上端固定注射器，下端固定具支试管，前侧固定压强传感器、后侧固定采集器。底部做成水槽用来冷却，控制整个过程温度恒定。
（2）将两注射的活塞杆切除，用胶枪将活塞与推杆顶固定（降低仪器整体高度、方便做好加固）。
（3）将内径6mm的透明玻璃管，加热弯曲90°，裁好适当的长度后，一端插到注射器侧上方，固定密封，另一端套上橡胶管（用来连接具支试管的一分支，做成恒压管，用来控制加入药品后系统压强恒定）。
（4）将6号橡胶塞打孔，插入小截透明玻璃管，保持密封。利用医用透明软管穿过同流阀，将注射器前端与6号橡胶塞上的透明玻璃管对接。
（5）在底座后侧面增加试管架，方便操作。
3.3 实验装置图
研制的数字化化学反应速率比较仪的原理图如图1所示，整体实物图见图2，自制主体结构见图3。
3.4 化学反应速率比较仪的检测
3.4.1 碳酸钠与碳酸氢钠的鉴别
（1）仪器与药品
自制化学反应速率比较装置、计算机、DISLab设备、量筒、1mol/L的HCl溶液、NaHCO3粉末、Na2CO3粉末。
（2）实验步骤
①连接采集器与计算机和压强传感器；
②闭合同流阀，打开两注射器的活塞，利用量筒往两边各加入10ml 1mol/L的HCl溶液（过量），塞紧活塞，并利用金属杆穿过活塞顶部，固定；
③用两纸槽各取0.2g的A物质 和B物质分别装入具支试管中，贴好标签，塞紧橡胶塞；
④利用橡胶管将压强传感器检测端与具支试管侧支对接；
⑤打开DISLab软件，通用软件，点击平铺按钮，显示两压强传感器值p1、p2。若左右压强值不相等，通过任意一侧的对接橡胶管调整（橡胶管套深浅可微调最初压强值）；
⑥点击组合图象，添加两压强p1、p2随时间变化的组合图象，调整X、Y轴的放大倍数；
⑦用夹子分别夹住两边橡胶管，两边压强升高后保持不变，表明装置气密良好；
⑧点击开始后快速打开同流阀，观察电脑屏幕上的压强随时间的变化图象，等到图象基本平稳后点击停止按钮；
⑨观察电脑屏幕上的压强时间变化图象进行分析，并得出结论。
（3）实验数据
NaHCO3 、Na2CO3鉴别实验数据详见图4。
最后两条曲线不重合，说明两物质最终产生的气体的量不一样。
3.4.2 强弱电解质的电离程度的比较
（1）仪器与药品
镁条，1mol/L的HCl，1mol/L的CH3COOH，自制化学反应速率比较仪。
（2）实验步骤
①连接采集器与计算机和压强传感器；
②闭合同流阀，打开两注射器的活塞，利用量筒往两边分别注射1mol/L的HCl和1mol/L的CH3COOH各10ml，塞紧活塞，并利用金属杆穿过活塞顶部，固定；
③打磨好的约2.5cm的镁条，对折重叠，两端各剪去部分（余约1cm），往2支试管中各放入一根，塞紧橡胶塞；
余下操作与3.4.1中的④～⑨相同。
（3）实验数据
实验数据如图5、图6所示。
最后两条曲线重合，说明两种物质最终产生的气体的量是一样的。
3.5 其他实验
本仪器还可以用来研究：催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响、探究浓度对化学反应速率的影响等。
4 研究项目的主要贡献（创新部分）
在中学阶段常利用气球的膨胀快慢或大小来衡量反应的快慢或剧烈程度及生成气体体积的多少，这种方法虽然直观、形象，但显然仅停留在定性层面，甚至存在一些科学性问题。研制的化学反应速率比较仪利用DISLab压强传感器将反应过程中产生气体引起装置内的压强随时间的变化通过采集器实时记录，绘制成压强随时间变化图象，直观、灵敏度高，能准确的记錄出整个反应过程中的压强变化情况，将感性现象以数显、图表的形式显示出来，有利于定量观的形成，及数显分析能力和理性思维的培养；设计的自制恒压装置能够有效的避免加液引起压强的变化，同时也解决了气压升高液体无法顺利加液的问题；搭配同流阀可使两边液体的流速和流量保持一致，有效的控制单一变量；还可利用软件绘制曲线的斜率，将化学反应速率直接量化，使实验效果更佳。
5 展望
通过不断的操作、调整仪器的结构，让仪器操作更方便、更稳定；准备将对仪器的外观进行改进，达到即美观又好用；若有条件拟将对本仪器的软、硬件进行再改进，让这套化学反应速率检测装置更加的完善，希望能将其应用到更多的领域（跨学科——生物学等）。
参考文献：
[1]龚国祥.“化学反应速率”教学实录[J].化学教学，2011（9）.
[2]洪湘琼.基于概念转变的教学创新与实践——“化学反应速率”第1课时的教学设计[J].化学教育，2013（10）.
[3]杨帆.有关化学反应速率与化学平衡中几个概念的探讨[J].化学教与学，2013（1）.
摘 要：中学化学反应速率的影响因素在高中化学知识体系中起到了承上启下的重要作用，验证速率影响因素的实验一直是教学的重点。现行中学化学教材中的实验存在不足。本文探讨利用手持技术改进测定反应速率的实验，灵敏度更高，节约药品，实时动态地采集信息，最后通过软件对图象进行分析，将化学反应速率直接量化。
关键词：DISLab；手持技术；速率；压强传感器；化学反应；恒压装置
1 研究项目的确定
中学化学教材上的反应速率的影响因素实验装置大都采用“套气球”来完成 [1 ]，操作看似很简单，但是在演示过程存在不足 [2 ]：两手各抓住气球往试管内加粉末，粉末容易粘附在气球内壁及试管内壁，实际参与反应的药品的质量不等；演示实验时很难保证同步操作；反应几秒内就能完成，用肉眼很难判断生成气体的速率的快慢；由于两个气球的张力不同，且瞬间压力不够，只能看到两个气球竖起后停顿一定时间后都慢慢膨胀，很难看出谁先放出气体。于是我决定利用手持技术尝试改进该实验装置。
2 项目的原理及基本思路
2.1 项目原理
2.2 项目思路
为准确、实时、快速和自动采集气体产生的气压变化曲线，选用了DISlab压强传感实验系统来完成。将实验过程或现象转化为可检测的物理信号，这也是科学研究中非常重要的“转化”思想。利用手持技术研究本项目，其灵敏度较高，必须保证实验装置气密性高，且要保证加药品后（反应瞬间）整体的压强相同。
2.3 拓展延伸
3 数字化比较化学反应速率装置的研制
3.1 实验材料
计算机、采集器、压强传感器2套、数据线2条、恒压分液器（注射器及输液管改装）2套、同流阀1个、6号橡胶塞2个、具支试管4根、试管架1个，量筒3个、橡皮管4根等。
3.2 实验装置的制作
（1）裁好5mm厚的有机玻璃，做成长方体主体支架。上端固定注射器，下端固定具支试管，前侧固定压强传感器、后侧固定采集器。底部做成水槽用来冷却，控制整个过程温度恒定。
（2）将两注射的活塞杆切除，用胶枪将活塞与推杆顶固定（降低仪器整体高度、方便做好加固）。
（3）将内径6mm的透明玻璃管，加热弯曲90°，裁好适当的长度后，一端插到注射器侧上方，固定密封，另一端套上橡胶管（用来连接具支试管的一分支，做成恒压管，用来控制加入药品后系统压强恒定）。
（4）将6号橡胶塞打孔，插入小截透明玻璃管，保持密封。利用医用透明软管穿过同流阀，将注射器前端与6号橡胶塞上的透明玻璃管对接。
（5）在底座后侧面增加试管架，方便操作。
3.3 实验装置图
研制的数字化化学反应速率比较仪的原理图如图1所示，整体实物图见图2，自制主体结构见图3。
3.4 化学反应速率比较仪的检测
3.4.1 碳酸钠与碳酸氢钠的鉴别
（1）仪器与药品
自制化学反应速率比较装置、计算机、DISLab设备、量筒、1mol/L的HCl溶液、NaHCO3粉末、Na2CO3粉末。
（2）实验步骤
①连接采集器与计算机和压强传感器；
②闭合同流阀，打开两注射器的活塞，利用量筒往两边各加入10ml 1mol/L的HCl溶液（过量），塞紧活塞，并利用金属杆穿过活塞顶部，固定；
③用两纸槽各取0.2g的A物质 和B物质分别装入具支试管中，贴好标签，塞紧橡胶塞；
④利用橡胶管将压强传感器检测端与具支试管侧支对接；
⑤打开DISLab软件，通用软件，点击平铺按钮，显示两压强传感器值p1、p2。若左右压强值不相等，通过任意一侧的对接橡胶管调整（橡胶管套深浅可微调最初压强值）；
⑥点击组合图象，添加两压强p1、p2随时间变化的组合图象，调整X、Y轴的放大倍数；
⑦用夹子分别夹住两边橡胶管，两边压强升高后保持不变，表明装置气密良好；
⑧点击开始后快速打开同流阀，观察电脑屏幕上的压强随时间的变化图象，等到图象基本平稳后点击停止按钮；
⑨观察电脑屏幕上的压强时间变化图象进行分析，并得出结论。
（3）实验数据
NaHCO3 、Na2CO3鉴别实验数据详见图4。
最后两条曲线不重合，说明两物质最终产生的气体的量不一样。
3.4.2 强弱电解质的电离程度的比较
（1）仪器与药品
镁条，1mol/L的HCl，1mol/L的CH3COOH，自制化学反应速率比较仪。
（2）实验步骤
①连接采集器与计算机和压强传感器；
②闭合同流阀，打开两注射器的活塞，利用量筒往两边分别注射1mol/L的HCl和1mol/L的CH3COOH各10ml，塞紧活塞，并利用金属杆穿过活塞顶部，固定；
③打磨好的约2.5cm的镁条，对折重叠，两端各剪去部分（余约1cm），往2支试管中各放入一根，塞紧橡胶塞；
余下操作与3.4.1中的④～⑨相同。
（3）实验数据
实验数据如图5、图6所示。
最后两条曲线重合，说明两种物质最终产生的气体的量是一样的。
3.5 其他实验
本仪器还可以用来研究：催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响、探究浓度对化学反应速率的影响等。
4 研究项目的主要贡献（创新部分）
在中学阶段常利用气球的膨胀快慢或大小来衡量反应的快慢或剧烈程度及生成气体体积的多少，这种方法虽然直观、形象，但显然仅停留在定性层面，甚至存在一些科学性问题。研制的化学反应速率比较仪利用DISLab压强传感器将反应过程中产生气体引起装置内的压强随时间的变化通过采集器实时记录，绘制成压强随时间变化图象，直观、灵敏度高，能准确的记錄出整个反应过程中的压强变化情况，将感性现象以数显、图表的形式显示出来，有利于定量观的形成，及数显分析能力和理性思维的培养；设计的自制恒压装置能够有效的避免加液引起压强的变化，同时也解决了气压升高液体无法顺利加液的问题；搭配同流阀可使两边液体的流速和流量保持一致，有效的控制单一变量；还可利用软件绘制曲线的斜率，将化学反应速率直接量化，使实验效果更佳。
5 展望
通过不断的操作、调整仪器的结构，让仪器操作更方便、更稳定；准备将对仪器的外观进行改进，达到即美观又好用；若有条件拟将对本仪器的软、硬件进行再改进，让这套化学反应速率检测装置更加的完善，希望能将其应用到更多的领域（跨学科——生物学等）。
参考文献：
[1]龚国祥.“化学反应速率”教学实录[J].化学教学，2011（9）.
[2]洪湘琼.基于概念转变的教学创新与实践——“化学反应速率”第1课时的教学设计[J].化学教育，2013（10）.
[3]杨帆.有关化学反应速率与化学平衡中几个概念的探讨[J].化学教与学，2013（1）.
