基于手持技术探究压强对化学反应速率的影响

摘要

在分析现有研究成果基础上，针对CO₂与H₂O反应生成碳酸的这一可逆反应，通过注射器针筒来改变该反应体系内的压强，同时结合传感器测定体系中溶液pH的变化情况，以及对体系内CO₂浓度变化程度进行分析，从中揭示出压强对化学反应速率影响的本质。

Graphical abstract

关键词

手持技术 / 压强 / 化学反应速率 / 实验探究 / 传感器

在讲授化学反应速率内容的教学中发现，化学反应速率的影响因素是高中教学的重难点之一，特别是压强对化学反应速率的影响，该因素是影响化学反应速率因素中学生难以理解和应用的内容^［1］。在苏教版教材的编排中，“化学反应速率的影响”内容呈现螺旋式上升趋势。首先，在必修第二册“影响化学反应速率的因素”中，初步介绍了压强对化学反应速率的影响^［2］；其次，在选择性必修1“化学反应速率”中，进一步探讨了化学反应速率的影响因素^［3］。教材对化学反应速率的大部分影响因素如浓度、温度、催化剂等都进行了实验探究，但是仅仅用图示展示了压强对化学反应速率的影响，教材对此没有设计相关的实验。这样的编排与《普通高中化学课程标准（2017年版2022年修订）》要求的“通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响”不统一，且采用图示呈现内容的方式相对抽象，不利于学生对该知识点的理解和掌握。因此，在教学中非常有必要增加压强对化学反应速率的影响的实验探究活动，以增进学生对该部分知识的理解。

1 研究现状分析

目前，探究压强对化学反应速率的影响的研究成果，主要集中在以下两个方面。一方面是通过传统的实验现象进行判断。有的观察实验时以颜色变化的快慢来判断反应速率，如探究二氧化氮与四氧化二氮的相互转换，但这类实验由于人的主观性和视觉感官上存在误差且实验时颜色变化不是很明显，只能对比实验现象作出大致的判断。王井明^［4］进行了其他实验的探究，提出了可以利用空气压强对熏香火星的变化来研究压强对反应速率的影响，但熏香火星的变化转瞬即逝，不容易观察到相关的实验现象。另一方面是利用现代技术，通过数据分析得出实验结论。例如，王敬文等^［5］利用传感器研究压强对化学反应速率的影响，在实验过程中将压强传感器与酸度传感器结合起来探究并得出相应的实验结论；顾仲良等^［6］在探究CO₂气体压强对\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}(\mathrm{g})+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}(\mathrm{l})\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}(\mathrm{a}\mathrm{q})反应速率的影响时，采用溴百里香酚蓝作为H₂CO₃指示剂进行实验，通过手机App软件Phyphox得到光感强度变化曲线或观察数码照片的RGB值（吸光度变化曲线）得出相应的实验结论。从上述研究成果中可以发现，现代技术在教学实验中的应用，能够得到直观的数据与曲线，便于帮助学生理解压强对化学反应速率的影响。但这些实验都是通过直接改变二氧化碳的量来探究压强对化学反应速率的影响，并没有设计实验探究不同压强下通入等量的二氧化碳对化学反应速率的影响。

2 实验内容

基于以上研究现状，笔者利用二氧化碳与水生成碳酸这一反应，并通过注射器针筒实现加压、常压和减压，使用不同的传感器探究压强对化学反应速率的影响。

2.1 实验仪器及实验试剂

【实验仪器】思迈数据采集系统、电磁搅拌器及磁力搅拌子、pH传感器、大气压传感器、二氧化碳传感器、三颈烧瓶、50 mL注射器、30 mL注射器、橡皮塞。

【实验试剂】蒸馏水、二氧化碳气体。

2.2 实验探究及数据分析

（1） 运用“pH传感器-大气压传感器”探究压强对化学反应速率的影响。

【实验步骤】

①连接装置，检查装置气密性。

②将160 mL蒸馏水注入三颈烧瓶中，连接大气压传感器、pH传感器；待传感器读数稳定后，校正pH传感器读数为7.0。

③向三颈烧瓶中迅速通入30 mL CO₂气体，并保持压强为95 kPa；点击思迈数据采集系统中的开始读数按钮，记录溶液pH的变化情况。

④待数值变化较为稳定后，点击停止读数，并对数据进行分析。

⑤重复上述步骤进行压强为101 kPa（常压）、106 kPa的实验（通过针筒改变整个体系的体积，从而改变压强值）。

【数据分析】不同压强值下的pH如图1所示。

①将不同压强值下CO₂与H₂O反应的pH变化曲线进行整合，结果如图3所示。观察图3得出：在相同时间内，当体系的压强越大时，溶液中的pH变化越快，说明CO₂与H₂O反应产生的碳酸也就越多，CO₂与H₂O反应的反应速率也就越快。由此得出实验结论：压强越大，化学反应速率越快。

②通过实验可以明显发现：压强不同，有气体参与的化学反应速率也不同。但是，学生并不能清晰地认识到压强为什么会对化学反应速率造成影响。苏教版高中化学教材中“压强对化学反应速率的影响”的内容采用图示来展示，通过图示可以了解到——压强对化学反应速率的影响，本质上是浓度对化学反应速率的影响。因此，后续实验需要将pH传感器换成二氧化碳传感器，通过不同压强值下体系中二氧化碳的含量判断压强对化学反应速率影响的本质。

（2） 运用“二氧化碳传感器-大气压传感器”探究压强对化学反应速率的影响。

【实验步骤】

①连接装置，检查装置的气密性。

②将160 mL蒸馏水注入三颈烧瓶中，连接压强传感器、二氧化碳传感器，待传感器读数稳定后即可实验。

③向三颈烧瓶中迅速通入30 mL CO₂气体，并保持压强为95 kPa；点击思迈数据采集系统中的开始读数按钮，记录体系中二氧化碳浓度的变化情况。

④待数值变化较为稳定后，点击停止读数，并对数据进行分析。

⑤重复上述步骤进行压强为101 kPa（常压）、106 kPa的实验（借注射器针筒改变整个体系的体积，从而改变压强）。

【数据分析】不同压强值下的数据如图2所示。

①将不同压强值下的CO₂变化曲线进行整合，发现：压强越大，体系内的CO₂含量越多。由此可以得出：压强对化学反应速率的影响，本质上是浓度的影响。通过实验，可以明显地看到——若其他条件不变，压强增大，则体系中二氧化碳体积分数也随之升高。

②二氧化碳体积分数的增加使得单位体积内二氧化碳的分子数增加，而单位体积内活化分子数增多，反应物分子的碰撞概率就有可能增大，导致化学反应速率增大。通过不同压强值下反应体系中二氧化碳体积分数变化的实验探究，可以清晰地认识到对于有气体参加的反应，若其他条件不变（除体积），增大反应物气体的压强，则反应体系中单位体积中分子数增加，有效碰撞概率增大，化学反应速率加快；反之，减小压强，化学反应速率减慢。

3 实验价值

化学反应速率的影响因素，如浓度、温度、催化剂等，都可以通过设计传统的定量分析实验得出相应的实验结论。但压强是较为抽象的概念，无法通过传统实验观察到其对化学反应速率的影响，只能利用现代技术手段来实现。所以在该实验中，利用数字化手持技术具有的直观性、综合性特点，将压强这一抽象因素具象化，学生可以精确地观察并分析实验数据，解决了学生学习上的疑点和难点。在实验探究过程中，学生通过分析得出了压强对化学反应速率的影响，本质上是由浓度变化带来的影响，而实验过程中压强的变化是因为反应体系的体积发生了改变，从而影响到了浓度。

学生基于“压强对化学反应速率影响的本质”进行相应的模型建构，进而当学生分析“通入与化学反应无关的气体时，反应体系压强发生了改变，那么对化学反应速率是否有影响”时，就能学会迁移应用。当通入与化学反应无关的气体时，若是恒容体系，则反应体系的体积不变，气体反应物的浓度不变，这时候虽然反应体系总压强增大了，但化学反应速率是不变的；若是恒压体系时，通入与化学反应无关的气体时，反应体系的体积会增大，则反应气体的浓度会减小，化学反应速率就减慢。在实验中运用手持技术方法，学生会留意到不同的实验操作带来不同的实验现象与数据，从而进一步理解数据背后所蕴含的化学原理，易于建构起相对完善的认知模型，自然能更好地理解与运用化学知识解决相关问题。

数字化手持技术在化学实验中的优势之一，是可以非常直观地将原本抽象、不易展示、难以理解的微观内容及化学现象展现出来，同时教师指导学生对得到的实验数据进行整合处理，带领学生通过实验数据得到图像并对图像加以分析，从而深化学生对化学反应中的变化观念与平衡思想这一核心素养的认知。学生在利用数字化手持技术进行实验设计和探究的过程中，会逐步形成“问题提出→猜想假说→设计方案→实验探究→猜想论证→总结提升”的自主探究模式。

在整个手持技术实验的实施过程中，学生需要时时观察实验数据，根据实验数据曲线的动态变化及时对实验进程进行监控和调整，这种参与使得学生的科学探究与创新意识得到有效培养。同时，对数字化手持技术的充分利用，能得到与实验相关的数据和图像，对其分析，不仅培养了学生的数形结合思想，而且便于教师引导学生对曲线（图像）进行处理与辨析，在相似中找出差异，在差异中归纳出变化规律。这样学生就能进一步理解与掌握“宏观-微观-符号-曲线”四重表征思维方式，使得学生对压强影响化学反应速率的本质有了更深刻的理解。

教学实践表明，如果能使用数字化手持技术进行探究，学生就可以从多角度对实验现象进行感知并能够透过现象观察到本质，不仅使得教师可以更加系统和规范地帮助学生构建起知识框架，而且学生可以直观感受反应的现象和结果，认识化学反应的本质。这样就在提高学生学习兴趣的同时，提升其化学学科核心素养^［7］。

4 结语

压强对化学反应速率的影响具有一定的抽象性，但上述实验设计通过简单可靠的装置，引入数字化手持技术，注重单一变量的控制，就将抽象、难以理解的理论转化为具象、直观的实验现象，辅以真实的实验数据，很好地弥补了常规实验的不足，使压强对化学反应速率影响本质上是浓度的影响这一结论具有了说服力。在实验过程中，让学生进行数据的测定、处理、分析、解读，很好地发展了学生“证据推理与模型认知”的学科核心素养；教师提出问题，引导学生思考，以小组为单位讨论并设计相关实验，便于其理解化学知识，发展学科理解能力，不仅提高了教学效果，更内化了学生的化学学科核心素养。

参考文献

[1] 何自航，田娅.中学化学中“压强对化学反应速率影响”的教学思考、设计及实践［J］.成都师范学院学报，2017，33（09）：86-90.

[2] 王祖浩.普通高中教科书化学必修第二册［Ｍ］.南京：江苏凤凰教育出版社，2021.

[3] 王祖浩.普通高中教科书化学选择性必修1［Ｍ］.南京：江苏凤凰教育出版社，2021.

[4] 王井明.压强对化学反应速率的影响的实验设计［J］.实验教学与仪器，2009，26（12）：26.

[5] 王敬文，李双，霍爱新.基于手持技术探究压强对化学反应速率的影响［J］.教育与装备研究，2019，35（02）：86-88.

[6] 顾仲良，周学工.压强对反应速率的影响实验探索：应用溴百里香酚蓝的色变［J］.化学教与学，2020（04）：93-95，72.

[7] 侯之光.数字化手持技术在高中化学教学中的应用［J］.现代盐化工，2020，47（06）：149-150.

基金资助

教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2025年度开放课题“以学科实践促进化学学科核心素养落地的教学研究”(KCA2025237)