張苧丹

摘要：將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與定量型化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以氣體壓強(qiáng)傳感器作為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用過(guò)氧化鈉與足量的水反應(yīng)，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)前后體系中壓強(qiáng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)定長(zhǎng)期放置的過(guò)氧化鈉的百分含量。并探討利用該方法，實(shí)現(xiàn)化學(xué)拓展課程中定量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：定量實(shí)驗(yàn)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；氣體壓力傳感器

文章編號(hào)：1008-0546（2018）11-0093-02 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.030

定量型實(shí)驗(yàn)，是指對(duì)某些“量”具有準(zhǔn)確要求的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)不僅能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、規(guī)范的操作要領(lǐng)、創(chuàng)新能力等，還有利于學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、技能去解決問(wèn)題，形成“量”的概念，以及形成“量變到質(zhì)變”、“微觀(guān)到宏觀(guān)”等科學(xué)的方法論與價(jià)值觀(guān) [1]。

基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)是一種新型的實(shí)驗(yàn)方法，利用傳感器對(duì)連續(xù)變化和微小數(shù)據(jù)量變化的測(cè)量是它的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。傳感器技術(shù)不僅可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的“變化”變得明晰，而且從定量的角度反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程的變化，以獲得精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [2]。因此，在中學(xué)階段開(kāi)發(fā)基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的定量實(shí)驗(yàn)校本課程具有重要的意義。

氣體壓力傳感技術(shù)作為DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一種，可以監(jiān)測(cè)在恒容、密閉體系中氣體微弱的壓強(qiáng)變化，因此可以將其用于研究有氣壓變化的化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)。本文以氣體壓強(qiáng)傳感器作為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)定長(zhǎng)期放置的過(guò)氧化鈉的百分含量，并探討利用該方法，實(shí)現(xiàn)化學(xué)拓展課程中定量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

一、實(shí)驗(yàn)原理

二、實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

壓強(qiáng)傳感器，溫度傳感器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)配套軟件、電子天平、錐形瓶、試管、鑷子、10mL量筒、過(guò)氧化鈉、蒸餾水。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

（1）通過(guò)排液法測(cè)得錐形瓶的容積：V=268mL。

（2）如圖所示，將數(shù)據(jù)采集器、壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器和計(jì)算機(jī)相連。

（3）稱(chēng)取一定質(zhì)量的過(guò)氧化鈉，然后將該過(guò)氧化鈉置于干燥的錐形瓶中。

（4）用量筒量取10.0mL的水于小試管中，將小試管用鑷子小心地放入錐形瓶中。按圖1所示連接好裝置。

（5）打開(kāi)LoggerPro軟件。待初始?jí)簭?qiáng)趨于穩(wěn)定后，啟動(dòng)“采集”按鈕，計(jì)算機(jī)開(kāi)始采集反應(yīng)體系的壓強(qiáng)與溫度數(shù)據(jù)。迅速傾斜錐形瓶，使試管中的水進(jìn)入錐形瓶中，小心地?fù)u動(dòng)錐形瓶，加速過(guò)氧化鈉與水的反應(yīng)。

（6）觀(guān)察壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，當(dāng)氣體壓強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值后，停止采集數(shù)據(jù)。

（7）重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2、3、4分別為三組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體系內(nèi)氣壓變化曲線(xiàn)。當(dāng)試管中的水與錐形瓶中的過(guò)氧化鈉接觸后，由于氧氣的大量產(chǎn)生，錐形瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)迅速增大，直至反應(yīng)結(jié)束，壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定。采集反應(yīng)前后的壓強(qiáng)，利用理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算得到過(guò)氧化鈉的百分含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

五、拓展應(yīng)用

將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與定量型化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中微量變化變得明晰，有助于實(shí)現(xiàn)化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)中的微量成分的快速分析。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以氣體壓強(qiáng)傳感器作為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用過(guò)氧化鈉與足量的水反應(yīng)，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)前后體系中壓強(qiáng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)定長(zhǎng)期放置的過(guò)氧化鈉的百分含量。利用該方法，可以設(shè)計(jì)一系列反應(yīng)過(guò)程中存在壓強(qiáng)變化的拓展定量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)成分的快速分析，如：鎂鋁合金中鋁含量的測(cè)定，可以采用樣品與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑，通過(guò)壓力傳感器測(cè)定反應(yīng)前后壓強(qiáng)的變化，測(cè)定產(chǎn)生氫氣的量，從而確定鋁含量；又如：小蘇打中碳酸氫鈉含量的測(cè)定，可以采用小蘇打與稀硫酸反應(yīng)，2NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+2CO2↑+2H2O，利用壓強(qiáng)變化，確定碳酸氫鈉與稀硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳的量，從而確定碳酸氫鈉的含量等等。該方法為我們定量實(shí)驗(yàn)化學(xué)拓展課程的設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 王川，劉勇，李樹(shù)偉.淺議在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中增加定量型實(shí)驗(yàn)的意義[J].化學(xué)教育，2012（4）：66-68

[2] 羅敏，羅傳春.基于傳感器技術(shù)的兩個(gè)定量實(shí)驗(yàn)案例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（6）：58-59