“气体溶解度影响因素”实验创新设计

摘要

针对“气体溶解度”的影响因素，引入数字化技术，利用传感器设计实验装置探究气体溶解度的影响因素，实时测量不同条件下装置内二氧化碳浓度的变化，通过对相关表征曲线的分析，深化学生对气体溶解度影响因素的理解。

Graphical abstract

关键词

气体溶解度 / 数字化实验 / 影响因素 / 二氧化碳气体 / 实验创新

“气体溶解度”的影响因素出现在鲁教版九年级化学教材（五·四学制）第14页“多识一点”部分，教材在给出简单的定义后，通过举例简略地说明了气体溶解度的影响因素。教材在讲解气体溶解度的影响因素时，没有详尽的实例，更没有设计实验进行验证，内容略显单薄。初中学段的学生，思维正处于由形象思维向抽象思维过渡阶段，对知识的理解还离不开直观形象的支撑，同时也缺乏足够的生活经验，因此理解该部分内容有一定难度。

1 实验研究现状

对气体溶解度影响因素的相关研究不多，归纳起来分为两大类：探究压强对气体溶解度的影响和探究温度对气体溶解度的影响，但针对溶剂对气体溶解度的影响鲜有研究，对气体溶解度的影响因素缺乏系统性研究。

徐国柱^［1］加热煮沸乙醚再降温减小体系压强，但乙醚易挥发易燃，有引发实验事故的隐患；李君等^［2］使用碳酸饮料，推拉注射器改变饮料瓶中的压强，但实验器具要求苛刻，不易实现。陈允任^［3］、张春宝^［4］、高珊^［5］均直接用注射器吸取一定量药品，推拉注射器改变压强，但由于注射器较小，不便观察，不适合课堂演示。

相比于压强，涉及温度对气体溶解的影响研究得更少。张春宝^［4］、高珊^［5］均是直接用注射器吸取一定量药品，将体系浸入冷水和热水中比较气泡的多少进行研究，但该设计无法在实验过程中证明气体是二氧化碳。

为解决上述问题，在借鉴前人方法的基础上，创造性地将实验与数字化手段相结合，系统地研究气体溶解度的影响因素。

2 运用数字化实验探究气体溶解度影响因素

该实验采用的数字采集器是数字实验盘，除具备传统数据采集器的功能外，还具备同时收集不同装置内同一物理量的功能。

2.1 探究压强对二氧化碳溶解度的影响

（1） 实验仪器与试剂。

①实验仪器：双颈烧瓶2只（耐压厚壁硼硅玻璃，250 mL）、苏威尔智能数字实验盘（SD0020）、苏威尔二氧化碳浓度传感器（S1007）、SenseDisc软件、200 mL注射器1支、铁架台、橡胶塞（与双颈烧瓶配套）、真空硅脂、封口膜。

②试剂：雪碧饮料（新开瓶）。

（2） 实验步骤。

①按图1连接好装置，左侧接口处通过橡胶塞连接200 mL注射器，中间接口处通过橡胶塞连接CO₂浓度传感器，所有接口连接处均涂有真空硅脂并用封口膜密封。

②测量常温加压时装置内CO₂浓度。将注射器活塞置于200 mL位置，打开数字实验盘及计算机，从左接口向双颈瓶中注入80 mL新开瓶的雪碧饮料并密封，点击开始采集，待数值平稳后，记录数值，此时的数值即为常压下装置内CO₂浓度。将注射器活塞从200 mL处开始缓慢匀速向内推，推至100 mL处时停止，用胶带固定活塞，记录曲线变化。等待片刻，待数据稳定（约115 s）后将注射器活塞由100 mL处匀速缓慢推至0处，用胶带固定活塞，记录曲线变化，待数据稳定（约180 s）后停止采集数据。

③测量常温减压时装置内CO₂浓度变化。将注射器活塞置于0位置，从左接口向双颈瓶中注入80 mL新开瓶的雪碧饮料并密封，打开数字实验盘及计算机，点击开始采集数据，待数据平稳后，此时的数值即为常压下装置内CO₂浓度。将注射器活塞从0处开始缓慢匀速向外抽拉，拉至100 mL处时停止，用胶带固定活塞，记录曲线变化。等待片刻，待数据稳定（约280 s）后继续将注射器活塞由100 mL处缓慢匀速抽拉至200 mL处，用胶带固定活塞，记录曲线变化，待数据稳定（约900 s）后停止采集数据。

（3） 实验结果与讨论。

根据加压得到的曲线（图2）可知，当装置内CO₂浓度趋于平稳后，进行第一次加压（注射器由200 mL处推至100 mL处），由于注射器内气体的注入，装置内CO₂浓度明显增大，由于双口烧瓶内压强的增大使得CO₂浓度逐渐降低，直至降到比加压前还要低的浓度（即A线之下），说明部分CO₂溶解到了溶剂中，证明气体溶解度随压强增大而增大。第二次加压后，CO₂浓度同样低于第二次加压前的浓度，即B线以下，进一步印证了上述分析。

减压前后装置内CO₂浓度变化曲线如图3所示，由图3 可知，当装置内CO₂浓度趋于平稳后，进行第一次减压（注射器由0处拉至100 mL处），由于注射器抽走了部分气体，装置内CO₂浓度明显降低，由于装置内压强的减小，使得CO₂浓度逐渐增大，直至增大到比减压前还要高的浓度（即C线以上），说明部分溶解在溶剂中的CO₂逸出，证明气体溶解度随压强的减小而减小。第二次减压后，CO₂浓度高于第二次减压前的浓度，即高于D线，进一步印证了上述分析。

2.2 探究温度对二氧化碳溶解度的影响

（1） 实验仪器与试剂。

①实验仪器：双颈烧瓶4只（250 mL）、苏威尔智能数字实验盘（SD0020）、苏威尔二氧化碳浓度传感器（S1007）、SenseDisc软件、气球4个、橡胶塞、数显恒温水浴锅、数显温度计、100 mL量筒、胶头滴管。

②试剂：冰水、雪碧饮料（新开瓶）。

（2） 实验步骤。

①按照图4连接好实验装置，双颈烧瓶中间接口通过橡胶塞与CO₂浓度传感器连接，传感器与计算机连接（将软件设置为每20 s采集一次CO₂浓度），烧瓶左边接口处连接气球，用于平衡气压。

②测量常温常压下装置内CO₂碳浓度。打开数字实验盘及计算机，量取80 mL新开瓶的雪碧饮料从中间接口处倒入双颈烧瓶中，塞好橡胶塞，立即点击开始采集，分别记录0，20 s，40 s，60 s，80 s时间点的装置内CO₂浓度。

③测量常压下将装置降温后的CO₂浓度。打开数字实验盘及计算机，将装置放入冰水浴中，测量并记录冰水浴温度；量取80 mL新开瓶的雪碧饮料并从中间接口处倒入双颈烧瓶中，塞好橡胶塞，立即点击开始采集，记录该温度下0，20 s，40 s，60 s，80 s时间点的装置内CO₂浓度。

④测量常压下40 ℃装置内CO₂浓度。打开水浴锅开关，设置温度为40 ℃，待温度稳定后，打开数字实验盘及计算机，将装置放入40 ℃的恒温水浴中，量取80 mL新开瓶的雪碧饮料并从中间接口处倒入双颈烧瓶中，塞好橡胶塞，立即点击开始采集，记录该温度下0，20 s，40 s，60 s，80 s时间点的装置内CO₂浓度。

⑤测量常压下70 ℃装置内二氧化碳浓度。打开水浴锅开关，设置温度为70 ℃，步骤同④。

（3） 实验结果与讨论。

实验分别记录了5个时间点，不同温度（3 ℃，20 ℃，40 ℃，70 ℃）条件下装置内CO₂的浓度（表1），根据表1绘制出不同温度条件下装置内CO₂浓度变化曲线（图5）。从图5可以看出，相同时间点的装置内CO₂浓度随温度的升高而升高，说明随着温度的升高CO₂在溶剂中的逸出量不断增大，可得出CO₂溶解度随温度的升高而减小的结论。

2.3 探究溶剂对二氧化碳溶解度的影响

（1） 实验仪器与试剂。

①实验仪器：三颈烧瓶2只（250 mL）、 苏威尔智能数字实验盘（SD0020）、苏威尔CO₂浓度传感器（S1007）、10 mL注射器4支、铁架台2个（带铁夹）、橡胶塞。

②试剂：酒精、水、新制CO₂。

（2） 实验步骤。

按照图6所示连接好实验装置。选择两只相同规格的三口烧瓶，左边接口通过橡胶塞与注射器连接，注射器中有等体积（9 mL）的水和酒精，右边接口通过橡胶塞与注射器连接，注射器中有等体积（10 mL）的CO₂，中间接口通过橡胶塞与CO₂浓度传感器连接，传感器和智能数字实验盘连接，实时记录容器内CO₂的浓度变化，并以曲线的形式记录下来。在常温常压条件下进行实验，同时向两只容器中注入CO₂，待数据稳定后（约70 s），同时注入等量的水和酒精，观察曲线变化。说明：选择10 mL CO₂和9 mL溶剂，是为了保证有足够的CO₂溶于溶剂，形成常温常压条件下CO₂的饱和溶液。

（3） 实验结果与讨论。

通过实验，可得到CO₂浓度的变化曲线（图7）。观察曲线可以看出：CO₂注入后其浓度曲线急剧上升，随着水和酒精的注入，CO₂浓度均缓慢下降，虽然浓度下降程度都不大，但仍可看出，加入水的容器内CO₂浓度下降相对较多，而加入酒精的容器内CO₂浓度下降较少。可以看出，CO₂在水和酒精中的溶解度都不大，但略有不同，即常温常压条件下CO₂在水中的溶解度比在酒精中的略大，由此得出气体在不同溶剂中溶解度不同的结论。

2.4 实验优点

（1） 操作简便。三组实验的操作步骤相似，数字实验盘以及CO₂传感器的连接简便，操作时只需要向三颈烧瓶中添加药品即可。

（2） 数据直观，快速准确。利用CO₂传感器能实时显示装置内CO₂浓度的变化，通过计算机的数据处理功能，可以将看不见的CO₂浓度变化过程以数据和曲线的形式直观呈现出来。传感器只对CO₂敏感，减少了常规操作中其他因素的干扰。同时，能增强学生分析数据的能力，便于其深刻理解CO₂溶解度的影响因素。

3 实验改进后的思考

数字化实验与传统实验相融合，不仅着眼于实验结果，更关注于创新改进其过程。数字化实验为无明显现象的实验打开了“可视化”大门，为传统实验仪器无法完成定量实验的创新设计提供了有力保障^［6］，更能助力学生对知识的深度理解与思考。学生亲历实验全过程，不仅体验到探究的乐趣，更培养了批判性思维和创新实践能力，提升了学生的化学学科素养。

参考文献

[1] 徐国柱.压强对气体溶解度影响的实验［J］.化学教育，1980（05）：40.

[2] 李君，王守平.压强对气体溶解度的影响演示器［J］.中学化学教学参考，2007（06）：46-47.

[3] 陈允任.压强对气体溶解度的影响［J］.化学教育，2000，21（09）：43.

[4] 张春宝.关于气体的溶解度受温度、压强影响的一个补充实验［J］.实验教学与仪器，2005，22（02）：29.

[5] 高珊.气体溶解度的影响因素的有效教学探究［J］.化学教育，2010，31（10）：83.

[6] 周文荣.“二氧化碳与氢氧化钠反应”的数字化实验设计［J］.化学教学，2017（10）：58-63.

基金资助

山东省教育发展服务中心2022年度微课题“数字化实验与初中化学教学深度融合的实践研究”(FJ208)