借传感技术改进化学反应速率的影响因素实验

摘要

在利用硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应探究浓度、温度对化学反应速率的影响和调控化学反应速率的实验中发现：在实验开始时，反应无明显的沉淀现象，不能精准计时；在实验过程中，沉淀物的生成量只能进行视觉上的定性判断，不能对其进行定量分析。深入分析原实验存在的问题，引入传感技术对实验进行数字化创新设计，既可实现实验数据的精准测量和定量分析，又能使实验结论更加接近真实结果，具有借鉴和推广价值。

Graphical abstract

关键词

化学反应速率 / 数字化 / 传感技术 / 影响因素 / 硫代硫酸钠 / 硫酸

“化学反应速率的影响因素”实验利用硫代硫酸钠溶液与硫酸溶液反应生成硫酸钠、硫单质（乳白色浑浊物）、二氧化硫（气体）和水。该实验的设计意图是通过改变反应物的浓度和温度条件，观测和比较反应过程中出现浑浊物的时间长短，从中判断出不同浓度和温度条件下的化学反应速率大小，即可验证浓度、温度对化学反应速率的影响规律，以此帮助学生理解改变反应条件可以调控化学反应速率的原理。

1 原实验的不足

在组织学生运用原实验方法进行分组实验探究时发现：反应过程中生成硫单质的量较少，不能快速、明显地呈现乳白色浑浊物；即使在有参考对比标记的情况下，肉眼观察不能客观、准确地判断生成的沉淀物是否完全遮盖标记^［1］；受不同实验者实验水平及操作规范等因素影响，各组记录的时间数据差异很大。实验结果虽能说明浓度、温度对化学反应速率有影响，但是相同的实验方法得到的实验数据和结果却存在较大差距。为了寻求科学的实验方法，采集到客观、有效的实验数据并获得满意的实验结果，笔者开展了该实验的创新设计。

2 实验的创新设计

2.1 器材组成

该项目所使用的器材组成明细如表1所示。

2.2 化学反应原理

\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\stackrel{}{̿}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{S}\downarrow +\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\uparrow +{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{。}

2.3 实验装置原理

（1） 实验装置使用红外光电感应器检测试管是否放入装置中并进行自动计时，当试管置于光电感应器上方感应区时，红外线光电感应器的发射管发射红外线，并经过试管底部反射后被感应器的接收管接收，感应器接收到信号并经电路处理后，输出一个电平信号到Arduino开发板，表示检测到有试管放入实验装置中，随即装置开始计时；当移除试管时，发射的红外线不会被反射，接收管接收不到红外线，感应器停止向开发板输出电平信号，实验装置停止计时，并将记录的时间显示到液晶屏上。

（2） 实验装置使用光敏电阻测量反应生成沉淀物的量，当将装有硫代硫酸钠和稀硫酸混合溶液的试管置于LED灯和光敏电阻之间时，发生反应且不断生成的沉淀物硫单质会阻挡LED灯照射到光敏电阻上的光线，此时Arduino开发板通过读取光敏电阻接收到的光照强度值，实现生成沉淀物的数值量化^［2］。

（3） 实验装置使用一块10.0 cm×13.0 cm塑料板作为面板，在距面板上边界2.0 cm的中央位置开一个直径为1.5 cm圆孔用于放置试管，在距下边界2 cm的中央位置开一个2.5 cm×7.0 cm矩形孔用于安装液晶屏；在内径为1.5 cm的塑料管两侧安装LED灯和光敏电阻，将光电感应器安装在塑料管的底端，然后将安装有LED灯、光敏电阻、光电感应器的塑料管安装在面板下方，如图1所示。其余5个面均使用塑料板进行组装，组装完成后构成一个整体为长13.0 cm、宽10.0 cm、高10.0 cm的长方体盒子。

（4） 将实验装置内部各模块电路的正负极接入开发板电源的正负极，再将各模块的信号控制传输脚接入开发板的I/O脚，如图2所示。红外光电感应器输出端连接开发板的A₀引脚，用于检测是否有试管放入实验装置中，开发板根据检测状态自动计时；光敏电阻模块输出端连接到Arduino开发板的A₁引脚，用于接收LED灯的光照强度信号，经开发板量化处理为沉淀物的生成量；液晶屏使用I2C协议与开发板通信，并连接开发板的D₁₁、D₁₂引脚。使用前，将编写的调试正常的程序烧录到开发板中，各个模块按程序指令工作，能够完成自动计时并具有沉淀物量化功能。

3 运用自制装置探究温度对反应速率的影响

3.1 实验药品与仪器

0.1 mol/L稀硫酸溶液、0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液、蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉、60 ℃热水、25 ℃温水、小试管、小烧杯、镊子、温度计、自制数字化实验装置等。

3.2 实验操作步骤

（1） 接通实验装置的电源。

（2） 先取两支大小相同的小试管，给两者分别加入0.1 mol/L稀硫酸溶液、0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液各2 mL，将两者置于25 ℃温水中水浴加热，备用；再取两支小试管，分别给两者加入0.1 mol/L稀硫酸溶液、0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液各2 mL，将两者置于60 ℃热水中水浴加热，备用。

（3）先将经25 ℃水浴加热的两支试管中的溶液混合、振荡，再将经60 ℃水浴加热的两支试管中的溶液混合、振荡；分别将蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉塞入两支装有混合溶液的试管口处，用于吸收反应生成的二氧化硫。

（4） 迅速将装有混合溶液的两支试管放入实验装置中，记录液晶屏上的初始读数。显示的s为光敏电阻的读数，用于表示沉淀物的生成量，t为反应的总时间。

（5） 在操作过程中每隔10 s读取一次数据，连续读取若干次数据，同时将每次读取的数据录入Excel表中。

3.3 实验数据的采集

根据上述实验步骤，得到实验数据。该实验演示了温度在25 ℃和60 ℃条件下化学反应速率快慢的比较过程。其实，在实际的实验中，可以设置更多的温度条件展开深入的探究。

3.4 实验数据分析与结论

根据实验数据制成曲线并进行数据分析（图3）。在25 ℃条件下，读数上升一直比较稳定且缓慢；而60 ℃条件下，读数在第20 s到第90 s之间上升速度明显加快，到第100 s以后上升速度逐渐趋于稳定，最终没有明显的上升。这是因为反应后期逐渐接近化学反应的限度，由此得出读取实验数据的理想时间应在达到化学反应限度前，即读数上升变缓前。根据实验数据和曲线（图像）的分析，得出实验结论：在化学反应限度内，其他条件不变的情况下，温度越高，化学反应速率越快。

3.5 化学反应速率定量探究方法

从上述分析可以得出，在化学反应限度内，使用单位时间内产生的沉淀量来定量探究和分析化学反应速率的影响因素是可行的，即有：单位时间内产生沉淀物的量大，说明化学反应速率快；单位时间内产生沉淀物的量小，说明化学反应速率慢。其计算公式为：单位时间内产生的沉淀量=（计数终止值－计数初始值）/时间^［3］。

4 运用自制装置探究浓度对反应速率的影响

4.1 实验药品与仪器

0.1 mol/L稀硫酸溶液、0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液、蒸馏水、蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉、小试管、镊子、自制数字化实验装置等。

4.2 实验操作步骤

（1） 接通实验装置的电源。

（2）取两支大小相同的小试管，分别向两者中加入0.1 mol/L稀硫酸溶液2 mL。一支试管中加入0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液和蒸馏水各1 mL，编为低浓度组；另一支加入0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液2 mL，编为高浓度组，迅速振荡。再分别将蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉塞入两者的管口处，最后将两者置于实验装置中。

（3）每隔10 s读取一次实验数据，将实验数据录入Excel表中。

4.3 实验数据分析与结论

根据实验数据制成曲线，如图4所示。高浓度组读数的上升速度比低浓度组读数的上升速度要快。这说明，在其他条件一定的情况下，在化学反应限度内，浓度越高，化学反应速率越快。

5 实验创新点与改进方向

5.1 实验创新点

自制装置充分运用数字化传感技术，用其进行化学反应速率影响因素的实验探究，将人工计时转为自动化计时，有效解决了不能精准计时的弊端；反应生成沉淀物的量化，实现了定性观察到定量分析的转变。上述改进措施证明，只要改进手段高明，方法针对性强，就能为实验结果的可靠性和有效性提供有力保障。

5.2 改进方向

实验装置的设计采用数字化传感技术，实现了实验的数字化，具有一定的优势。但今后有必要对实验装置进一步升级改造，即提升装置的稳定性，在数字化基础上将采集到的实验数据进行可视化处理，一方面提升实验数据分析处理的效率，另一方面使实验结果更加直观。

6 结语

在化学实验中，精准测量和定量分析都是提高实验数据准确性、实验结论可靠性的有效手段和方法。本实验改进使用传感技术可实现时间的精准测量和生成沉淀物的量化，在实现实验数字化、自动化的同时，大大提高了实验结果的精确度。实践证明，将这种设计思路和方法用于化学学科实验教学，是值得借鉴与推广的。

参考文献

[1] 吴有萍，马娟娟，余新红.数字化实验在探究化学反应速率影响因素中的应用［J］.中国现代教育装备，2022（24）：33-35.

[2] 黄艳丽.手机光线传感器在初中化学实验中的应用探究：以“探究浓度和温度对化学反应速率的影响”为例［J］.中小学实验与装备，2023，33（03）：47-49.

[3] 谢杭，陈剑峰.基于手持技术在中学化学实验中应用的研究：数字化比较化学反应速率装置的研制［J］.中学理科园地，2016，12（06）：64-66.

基金资助

2024年织金县教育科学规划课题“学科融合视域下高中化学实验创新实践研究”(2024-24)