湖北省武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)(430061) 唐 蘇

1 問題的提出

控制變量法早已滲透到物理、化學(xué)、生物等理科教學(xué)中，是探究實(shí)驗(yàn)中不可或缺的認(rèn)知成分?！坝绊懟瘜W(xué)反應(yīng)速率的因素”一節(jié)中，人教版化學(xué)選修4教材中的3個實(shí)驗(yàn)通過控制單一變量的方法分別研究了濃度、溫度、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。3個實(shí)驗(yàn)都是根據(jù)定性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論，但這樣的判斷因人而異，沒有定量的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不太準(zhǔn)確。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)在繼承傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行改進(jìn)和補(bǔ)充，學(xué)生通過簡單的數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)?shù)據(jù)背后隱藏的科學(xué)規(guī)律進(jìn)行探究，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計

2.1 濃度對反應(yīng)速率的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式

5H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4=10CO2↑+2MnSO4+K2SO4+8H2O

2.1.2 實(shí)驗(yàn)原理

古德貝格和瓦格于19世紀(jì)中期提出了基元反應(yīng)的質(zhì)量作用定律：基元反應(yīng)速率與各反應(yīng)物的濃度冪次方乘積成正比，各反應(yīng)物濃度冪次方的指數(shù)等于化學(xué)方程式中對應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)。反應(yīng)物的濃度越高，反應(yīng)速率越快。

2.1.3 色度傳感器原理

色度傳感器用于測量有色溶液的透光率，相當(dāng)于一臺簡易的分光光度計。通過對比透射光強(qiáng)度與發(fā)射光強(qiáng)度，可得到透光度。

本實(shí)驗(yàn)中隨著反應(yīng)的進(jìn)行，酸性高錳酸鉀溶液的顏色會逐漸褪去，透射光強(qiáng)度逐漸增加，反應(yīng)相同的時間，透光度變化值與反應(yīng)速率成正比，可以據(jù)此確定反應(yīng)速率的大小。

2.2 溫度對反應(yīng)速率的影響

2.2.1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式

Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+S↓+SO2↑+

H2O

2.2.2 實(shí)驗(yàn)原理

大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。范特霍夫曾總結(jié)出一條近似規(guī)律：溫度每升高10 K，反應(yīng)速率變?yōu)樵瓉淼?～4倍。

2.2.3 濁度傳感器原理

濁度傳感器是用于測量液體的渾濁度或化學(xué)反應(yīng)過程中生成的沉淀量，即液體中懸浮物的多少。

在本實(shí)驗(yàn)中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)生成硫的量不斷增加時，顆粒對光的散射增強(qiáng)，溶液的濁度值越大，由反應(yīng)過程中溶液的濁度變化值可確定反應(yīng)速率。

2.3 催化劑對反應(yīng)速率的影響

2.3.1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式

2.3.2 實(shí)驗(yàn)原理

雙氧水在常溫常壓下可以緩慢地分解成氧氣和水，當(dāng)它遇光、遇熱、遇大多數(shù)金屬氧化物和金屬陽離子時，會加速它的分解。

2.3.3 氧氣傳感器原理

氧氣傳感器利用陶瓷敏感元件測量氧電勢，由化學(xué)平衡原理計算出對應(yīng)的氧濃度，工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。在一定條件下，利用氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。

在本次實(shí)驗(yàn)中，氯化鐵作為催化劑時，催化效果好，試管中氧氣的濃度增加明顯；而硫酸銅作為催化劑時，催化效果差，氧氣產(chǎn)生速率慢，易形成空氣對流，導(dǎo)致相同規(guī)格的試管中氧氣濃度變化不大。因此，通過測定相同規(guī)格試管中氧氣濃度的變化，可以判斷催化劑效果的好壞。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 儀器與藥品

朗威DISLab 6.5數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)、色度傳感器、濁度傳感器、氧氣傳感器、比色皿、試管、量筒、滴管、0.005 mol/L酸性KMnO4溶液、0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液、1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液、0.1 mol/L Na2S2O3溶液、0.1 mol/L H2SO4溶液、0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L CuSO4溶液、10% H2O2溶液。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 濃度對反應(yīng)速率的影響

(1)如圖1所示連接各裝置，打開數(shù)據(jù)采集軟件。

我們對化合物1的熱性質(zhì)進(jìn)行了分析。從熱分析曲線可以看出，化合物表現(xiàn)為兩步失重，第一步，155-206℃，失重約為6.21%(理論值 7.5%)，歸屬為3分子水的失去。第二步,在206到340℃ 范圍內(nèi)失重約36.7%，相當(dāng)于1個單純配體oba的失去，理論值為36.25%。

圖1 色度計實(shí)驗(yàn)裝置

(2)色度計用蒸餾水和標(biāo)準(zhǔn)黑體校準(zhǔn)。

(3)將2 mL 0.005 mol/L酸性KMnO4溶液和2 mL 0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液在試管中混合后，倒入比色皿中并立即放入色度計內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

(4)將2 mL 0.005 mol/L酸性KMnO4溶液和2 mL 1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液在試管中混合后，倒入比色皿中并立即放入色度計內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

3.2.2 溫度對反應(yīng)速率的影響

(1)如圖2所示連接各裝置，打開數(shù)據(jù)采集軟件。

圖2 濁度計實(shí)驗(yàn)裝置

(2)濁度計用蒸餾水和標(biāo)準(zhǔn)濁度液校準(zhǔn)。

(3)將4 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液、4 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液分別等分為兩份，分別放在熱水(70 ℃)和冷水(25 ℃)中保溫。

(5)將放在冷水中的2 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液和2 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液在試管中混合后倒入比色皿中，立即放入濁度計內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

3.2.3 催化劑對反應(yīng)速率的影響

(1)如圖3所示連接各裝置，打開數(shù)據(jù)采集軟件。

圖3 氧氣傳感器實(shí)驗(yàn)裝置

(2)氧氣傳感器用空氣校準(zhǔn)。

(3)取20 mL 10%雙氧水于試管中，加入3 mL 0.1 mol/L的FeCl3溶液混合，利用氧氣傳感器記錄數(shù)據(jù)。

(4)取20 mL 10%雙氧水于相同規(guī)格的試管中，加入3 mL 0.1 mol/L的CuSO4溶液混合，利用氧氣傳感器記錄數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果分析

4.1 濃度對反應(yīng)速率的影響

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel中作圖，得到圖4。圖中a曲線表示2 mL 0.005 mol/L 酸性KMnO4溶液和2 mL 1.0 mol/L H2C2O4(草酸)溶液反應(yīng)過程中透光率的變化。b曲線表示2 mL 0.005 mol/L 酸性KMnO4溶液和2 mL 0.5 mol/L H2C2O4(草酸)溶液反應(yīng)過程中透光率的變化。由圖中的曲線可以清晰地看到草酸濃度為1.0 mol/L時，反應(yīng)大概從100 s時開始發(fā)生，到350 s時，反應(yīng)基本結(jié)束；草酸濃度為0.5 mol/L時，反應(yīng)大概從200 s時開始發(fā)生，到600 s時，反應(yīng)基本結(jié)束。同時還可以看到，a曲線的斜率明顯大于b曲線，也說明了a的反應(yīng)速率比b要快。在相同條件下，草酸的濃度越大，反應(yīng)越先開始，越快結(jié)束，也就意味著反應(yīng)物濃度越大，反應(yīng)速率越快。

圖4 濃度對反應(yīng)速率影響實(shí)驗(yàn)圖像

4.2 溫度對反應(yīng)速率的影響

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel中作圖，得到圖5。圖中a曲線表示在熱水中保溫的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合后的濁度值。b曲線表示在冷水中保溫的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合后的濁度值。由圖中曲線可以明顯看出在熱水中保溫的溶液一混合就開始反應(yīng)，在90 s左右時反應(yīng)結(jié)束，而在冷水中保溫的溶液在60 s左右時才開始有明顯反應(yīng)，大概在500 s時反應(yīng)結(jié)束。并且曲線a的斜率明顯大于曲線b，說明相同濃度、相同體積的Na2S2O3溶液和H2SO4溶液混合，溫度越高，反應(yīng)速率越快。

圖5 溫度對反應(yīng)速率影響實(shí)驗(yàn)圖像

4.3 催化劑對反應(yīng)速率的影響

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel中作圖，得到圖6。圖中a曲線表示催化劑為0.1 mol/L FeCl3溶液時測定的氧氣濃度的變化。b曲線表示催化劑為0.1 mol/L CuSO4溶液時試管中氧氣濃度的變化。由圖6可看出FeCl3的催化效果明顯強(qiáng)于CuSO4。在其他條件均相同的條件下，F(xiàn)eCl3溶液作為催化劑，試管中氧氣的濃度最大可達(dá)到約80%，而CuSO4溶液作為催化劑時，試管中氧氣濃度最大僅約為24%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，雙氧水在分解時，使用氯化鐵作為催化劑的效果要明顯優(yōu)于硫酸銅溶液。

圖6 催化劑對反應(yīng)速率影響實(shí)驗(yàn)圖像

綜上所述，在其他條件相同的情況下，增大反應(yīng)物的濃度反應(yīng)速率增加，升高溫度反應(yīng)速率增大，不同的催化劑對反應(yīng)的催化效果不同。對于雙氧水來說，氯化鐵溶液的催化效果明顯優(yōu)于硫酸銅溶液。

5 教學(xué)建議

本節(jié)課旨在培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像的分析處理能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計中控制變量的思想以及綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)的能力，因此，筆者將3個實(shí)驗(yàn)的順序做了一些調(diào)整，環(huán)節(jié)如下：

5.1 溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

教師做完演示實(shí)驗(yàn)之后，引導(dǎo)學(xué)生從以下幾個方面對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行分析：①對圖像進(jìn)行描述；②起始值不同說明了什么；③斜率表示什么含義，斜率不同又說明了什么問題；④終點(diǎn)值是否相同？

本環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像分析處理的能力。

5.2 濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

教師可以先給出不同濃度的高錳酸鉀溶液、硫酸和草酸溶液，先讓學(xué)生分組自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究濃度對反應(yīng)速率的影響，再對學(xué)生設(shè)計出的不同方案予以評價。如能否控制草酸或硫酸濃度？然后，根據(jù)最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案操作實(shí)驗(yàn)。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像，計算不同濃度下的化學(xué)反應(yīng)速率，復(fù)習(xí)前一課時的內(nèi)容。

本環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中控制變量的能力以及定量計算的能力。

5.3 催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

向?qū)W生介紹氧氣傳感器，然后由學(xué)生自主設(shè)計、完成實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。教師和學(xué)生共同對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價，同時拓展能否使用其他傳感器(如壓強(qiáng)傳感器)，哪個實(shí)驗(yàn)方案更優(yōu)(壓強(qiáng)傳感器對裝置氣密性要求較高，且產(chǎn)生的氣體過多時，壓強(qiáng)過大會導(dǎo)致膠塞噴出，實(shí)驗(yàn)有一定風(fēng)險)？

本環(huán)節(jié)旨在考查學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中控制變量的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)的能力。