“温度对化学平衡移动的影响”实验的数字化设计

摘要

介绍Phyphox（Physical Phone Experiments）软件的使用方法，在此基础上，以“CuCl₂溶液和K₂Cr₂O₇溶液”为例，探究温度对化学平衡的影响。从效果看，宏观数据与微观现象相结合，能提高实验结果的准确性，为数字化实验教学提供新思路；有效辅助学生发展宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养，并能在实验过程中强化对学生科学探究与创新意识的培养。

Graphical abstract

关键词

化学平衡 / Phyphox软件 / 温度 / 影响 / 智能手机 / 数字化设计

传统的教学一般是让学生观看“影响化学平衡移动因素”的实验视频，这导致学生缺少动手实验的机会，难以形成发现问题、解决问题的学习习惯，同时不熟悉控制变量、对比的思维方法，较难解答新高考实验探究题型的试题。目前，新教材规定该部分内容为学生必做实验，这对教师的教学提出了新的要求。当遇到实验现象与课本现象不一致或现象不明显的情况时，引入数字化技术就成为提升实验教学效果的有效途径。

数字化技术或手持技术具有便捷性、直观性等优点，能将肉眼难以观察的现象以数据方式呈现，有助于培养学生的宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识等素养。例如，陈佳璐等^［1］利用Science Journal App探究压强对化学平衡移动的影响，其理论依据是：当光照强度相同时，体系颜色越浅，透光率越高，NO₂浓度越低。但溶液颜色的变化较弱，难以用肉眼直接观察颜色深浅；赖瑶等^［2］用手机软件ColorGrab拍摄并读取RGB值，依据r=R/（R+G+B）公式绘制r值色度坐标，借此探究浓度对K₂Cr₂O₇溶液与花青素溶液的化学平衡的影响，但手机拍摄的照片受外界光强影响较大，需要严格控制相同的拍摄光源和角度，且须多次拍摄取平均值，以避免出现偶然误差，也可拍摄照片并运用电脑取色器读取RGB值。柴红梅等^［3］采用Phyphox软件记录照度随时间变化的曲线，借此探究浓度对高锰酸钾和草酸反应速率的影响。

汪阿恋等^［4］在此基础上利用Phyphox软件光传感器研究在不同浓度、不同温度下Na₂S₂O₃溶液和H₂SO₄溶液反应速率的变化。这些软件可以弥补实验中肉眼较难识别颜色变化的局限，通过数字化手段解决学生学习化学原理过程中的认知难点，体现了信息技术与实验教学深度融合的创新趋势。

人教版高中化学选择性必修1“实验活动1：探究影响化学平衡移动的因素”探究0.1 mol·L^-1 CuCl₂溶液随温度变化的平衡移动，当教室开灯或光照强度强时，水浴加热过程中溶液颜色的变化难以用肉眼观察，且一离开热水，颜色会很快恢复蓝色；而直接用酒精灯加热时，其变化比水浴加热更明显，但直接加热的方式存在一定的危险性，不适合学生实验。

为了让学生清晰地看到溶液颜色变化，解决“升高温度，CuCl₂溶液由蓝色变成绿色”的疑惑点，在原有实验基础上增加数字化设备。光传感器的核心部件是光敏电阻，电阻值会随着光的强弱而变化，利用手机App可实现照度的测量和记录^［4］。照度即为光照强度（E），用以表征物体受照面被照明程度的物理量^［5］，当光源垂直照射物体表面时，照度与光源的发光强度成正比^［6］。一束相同强度的光穿过不同颜色的溶液，溶液所呈现的照度值也会发生变化。基于此，在相同光照强度下，利用智能手机Phyphox软件中的光传感器读取CuCl₂溶液从加热状态恢复至常温的照度。为确保实验的可信度，增加K₂Cr₂O₇溶液随温度变化的化学平衡移动实验，采集4种不同颜色溶液（加热状态时的颜色、橙色、橙黄色、黄色）的照度曲线，用来证明在同一光照强度下，改变溶液颜色，照度随之改变的事实，且肉眼所看到的颜色越亮，照度越强。

1 软件介绍

Phyphox，全称Physical Phone Experiments，也称为手机物理工坊，开发于2016年，是由德国亚琛工业大学发行的一款手机应用软件^［7］，安卓用户可通过百度或者手机商店下载。该软件一般用于物理实验，包括光、温度、压强等传感器。下面，笔者介绍软件的主要界面。

1.1 首页界面

打开软件，进入首页界面，不需要登录，进入即可进行具体操作。首页界面分为主界面和新建实验标志“+”，主界面包括原始传感器、力学、声学、工具、日常生活、计时器，每个主题下面又有详细的分类，后续做实验需要保存的数据也在此处。点击“+”图标出现“从二维码添加实验、为蓝色设备添加实验、新建简易实验”，其中“新建简易实验”可用于创建空白实验。

1.2 实验界面

点击“新建简易实验”，出现图1所示的界面；点击“标题”，可以新建实验名称，名称确认后不能再修改；点击“传感器速率”，可以修改数值出现的频率，数值0表示最快，数值越大，实验统计数据出现的频率越少；点击“选择传感器”，可以依据实验需求选择多种传感器，点击“确认”，即可进入传感器界面，点击“取消”，即可返回主界面，也可以在主界面“原始传感器”中寻找所需传感器，但主界面的传感器不能对实验进行命名。

1.3 传感器界面

选择好实验所需传感器后，点击右上角的“倒三角”，图标变为“‖”图标，即为实验开始，横坐标为时间，纵坐标为光照强度，点击“箭头”图标可返回主界面；点击“三点”图标出现“实验信息、导出数据、分享屏幕截图、定时运行、允许远程控制、保存实验状态”，数据导出后以表格形式呈现，有利于数据处理时删掉一些无关数据；对于需要严格控制时间的实验，实验者可以在“定时进行”处修改实验所需的时间；对于近距离不好操作的实验，可以勾选“允许远程控制”；做完实验之后，注意点击“保存实验状态”，保存实验的目的是以便后续查看实验数据；保存好的数据会出现在主界面，标题为“已保存的实验状态”；数据保存后离开传感器界面时会出现“leave”字样，点击即可返回主界面。

2 实验改进

2.1 实验原理

在CuCl₂溶液中，存在如下平衡：

［Cu（H₂O）₄］²⁺+4Cl^-⇌［CuCl₄］^2-+4H₂O，\Delta H＞0；

在K₂Cr₂O₇溶液中，存在如下平衡：

Cr₂O₇^2-＋H₂O⇌2CrO₄^2-＋2H^＋，\Delta H＞0。

在其他条件不变的情况下，升高温度，平衡向着吸热方向移动；降低温度，平衡向着放热方向移动。若升高CuCl₂溶液的温度，则肉眼观察到的溶液颜色应由蓝色变为绿色，加热K₂Cr₂O₇溶液，溶液颜色应由橙色变为黄色；降低温度，CuCl₂溶液颜色应由绿色变为蓝色，同时K₂Cr₂O₇溶液颜色应由黄色变为橙色。在同一光照强度下，研究K₂Cr₂O₇溶液颜色随温度的变化规律。多次实验，分别测定以下4种状态下的“照度-时间”曲线：加热状态时的溶液、常温状态下的橙色溶液、添加5滴20% NaOH溶液后形成的橙黄色溶液，以及添加10滴20% NaOH溶液后形成的黄色溶液。结果显示，黄色溶液的照度最强，橙黄色溶液次之，加热状态下的溶液照度强于常温溶液，但均低于橙黄色和黄色溶液的照度。这表明肉眼观察到的颜色越亮，透光率越高，照度越强；颜色越暗，透光率越低，照度越弱。

基于此，进一步改变光照强度并重复实验，对比CuCl₂溶液在加热状态与常温状态下的“照度-时间”曲线，得出加热状态下的照度强于常温状态。综上所述，在相同光照强度下，温度改变会引起溶液颜色变化，且温度升高会促使平衡向吸热方向移动。

2.2 实验用品

（1） 实验药品：0.1 mol·L^－1 CuCl₂溶液、0.1 mol·L^－1 K₂Cr₂O₇溶液、20% NaOH溶液、热水、冷水。

（2） 实验仪器：挡板、安装有Phyphox软件的智能手机、试管、纸盒（130 mm×90 mm×40 mm）、LED手电筒、烧杯。

2.3 实验步骤

（1） 先用小刀在纸盒左、右、上的3个位置钻孔，孔的大小与手机的前置摄像头、手电筒头的宽度、试管的大小保持一致。

（2） 分别配制好0.1 mol·L^－1 K₂Cr₂O₇溶液、0.1 mol·L^-1 CuCl₂溶液；取6支编号为A~F的试管，其中A~D中分别装4 mL K₂Cr₂O₇溶液，A为加热状态下的溶液，B为常温状态下的橙色溶液，C试管中加入5滴20% NaOH溶液为橙黄色，D试管中加入10滴20% NaOH溶液为黄色；取E、F试管，分别加入4 mL CuCl₂溶液，E为对照，F为加热状态。

（3） 将A、F两支试管置于沸水中加热，看到A中溶液大致变色后取出试管并用纸巾擦干，插入纸盒上方孔中，转动试管调整方向，保证试管不倾斜；按照图2所示将手电筒插入纸盒右侧孔，调整位置使孔正好卡住手电筒；为避免外界光的干扰，关闭室内灯，调整手机前置摄像头与纸盒左侧孔的位置，要将摄像头与溶液、手电筒中心保持在同一条直线上；待位置调整好后，打开手机软件Phyphox中的光强传感器，此时照度为0；待数据稳定后打开手电筒，随着照度的增强，待数据稳定后按顺序依次更换B、C、D试管；在更换溶液的同时数据也在更新，待数据稳定后即可结束实验，关闭手电筒，点击“‖”图标。

（4） 为了证明改变溶液颜色，照度随之改变，肉眼所观察的颜色越亮，照度越强的结论，按照以上操作步骤，先采集K₂Cr₂O₇溶液在不同状态下的“照度-时间”曲线，再采集CuCl₂溶液在不同状态下的“照度-时间”曲线。

2.4 数据处理

点击“照度-时间”曲线上的任意一处，均可出现图3中放大的曲线；点击“平移和缩放”，即可用两根手指随机进行放大和缩小；点击“导出此数据集”，则可以导出需要的部分数据，若需要恢复曲线原来的大小，则点击“重置缩放”；若想看到曲线的数据，则点击“选取数据”后点曲线任意一点，就知道该点的时间与照度，也可以实时跟踪新数据，并进行线性拟合；若需要删除一些非实验因素引起的数据，则利用Excel软件重新绘制曲线。

2.5 结果分析

点击“分享屏幕截图”功能，即可看到K₂Cr₂O₇溶液在不同状态下的数据变化趋势。如图4所示，初始照度显示为0 lx，此时手电筒尚未打开。在更换溶液的间隙，照度达到80 000~90 000 lx，该数值源于手机直接采集的手电筒光源。随着不同颜色溶液的依次放入，照度从0 lx到21 688 lx、0 lx到21 104 lx、0 lx到27 945 lx、0 lx到29 988 lx。橙色、橙黄色与黄色等3种溶液对应的照度变化趋势清晰表明：黄色溶液的照度最强，橙黄色次之，橙色最弱。由此可知，在相同光照强度下，肉眼观察到的颜色越亮，照度越强。基于此，进一步探究K₂Cr₂O₇溶液和CuCl₂溶液随温度变化的平衡移动。

图4中加热状态下的溶液照度高于常温状态照度，说明升高温度，溶液颜色会向着更亮的颜色方向变化，即向着黄色方向移动。因为正反应是一个吸热反应，所以升高温度平衡会向着吸热方向移动。

为了更加清晰地看到CuCl₂溶液从加热状态到常温状态溶液照度的变化，导出数据后需删除一些无关数据，并利用Excel软件制作图像（图5）。图5显示加热状态下的照度强于常温状态，所看到的绿色是溶液中的蓝色和黄色的叠加色，说明随着温度的升高，平衡发生移动且向着生成黄色溶液的方向移动，肉眼所看到的绿色亮度强于蓝色。因此，得出的结论与前面一致：在相同光照强度下，肉眼看到的颜色越亮，照度越强。

2.6 实验结论

综上所述，当其他条件不变时，升高温度，化学平衡向着吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡向着放热反应方向移动。

3 评价与反思

在进行光传感器实验时，需注意以下几点：①为创设黑暗环境，宜选在晚上进行实验，可利用自制教具模拟黑暗环境或室内关灯等；②若用试管作为溶液容器，则须注意调整试管角度，避免因玻璃的不同角度带来光散射问题，建议选择方形试管或比色皿；③溶液的量不宜过多或过少，过多会造成药品浪费，过少会使光在纸盒内发生较大散射；④手电的中心与溶液、手机前置摄像头须保持在同一直线上，不然会导致数据出现较大偏差；⑤实验时尽量不要移动桌面，避免因手机、手电的波动影响数据。

在实验教学中，往往会出现改变外界条件但现象变化不明显的情况。例如，改变温度使颜色变化并分析平衡移动的方向，肉眼难以辨别颜色的微弱变化，但颜色深浅与离子浓度有关，可依据朗伯-比尔定律进一步研究溶液颜色与浓度、照度的关系^［8］。因此，应以数据形式表征颜色变化。例如，利用Phyphox软件中的光传感器能让学生实时从数据角度感受颜色变化，避免了肉眼观察的局限性。手机软件作为数据采集器，设备易得，弥补了手持设备价格高昂的不足。利用App采集、处理数据，有利于培养学生的信息搜集和数据处理能力，也可从定量角度解读分析，培养学生的证据推理与模型认知素养。

在原有实验设计上发现并提出有探究价值的问题，设计实验方案探究温度对CuCl₂溶液平衡移动的影响，并融合信息技术设计参照组（K₂Cr₂O₇溶液），得出理论模型，再根据理论模型得出实验组（CuCl₂溶液）的现象变化。信息技术的融合，改变了传统实验教学方式；技术手段的进步，有利于培养学生的宏观辨识与微观探析素养，同时增强学生的科学探究与创新意识。

参考文献

[1] 陈佳璐，杨丹，刘卫东，等.Science Journal App支持下的中学化学实验改进：压强对化学平衡的影响［J］.化学教育（中英文），2023，44（11）：93-97.

[2] 赖瑶，黄萍，李悦，等.利用离子交换树脂探究浓度对化学平衡的影响［J］.化学教育（中英文），2022，43（03）：116-119.

[3] 柴红梅，闫婷婷，任宜霞，等.基于智能手机光传感器探究浓度对化学反应速率的影响［J］.延安大学学报（自然科学版），2019，38（02）：48-53.

[4] 汪阿恋，叶燕珠.基于手机光传感器定量探究影响化学反应速率的因素［J］.福建基础教育研究，2022，（11）：112-114.

[5] 洪静爽，程敏熙.基于智能手机光传感器验证点光源光照强度与距离的平方反比关系［J］.物理通报，2020（11）：85-87.

[6] 王瑞哲，韦先涛，王中平.利用手机光传感器验证照度定律［J］.物理实验，2021，41（12）：50-54.

[7] 何璐，祖米热姆·伊马木，方伟.phyphox软件介绍及其在物理教学中的应用［J］.物理通报，2020（02）：101-104，108.

[8] 闫云波，吴翔，李富城，等.基于Phyphox对纸张相对制成时间的光学研究［J］.大学物理，2023，42（06）：61-65.

基金资助

中国教育装备行业协会2023年度教育装备科研课题“数字化教育装备在中小学实验教学中的应用研究”(CEFR23016R10)