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高中化学实验锌与稀硫酸反应的改进研究

摘要：本实验为人教版化学选修 4《化学反应原理》第二章第一节 化学反应速率 实验 2-1以及新人教版化学选择性必修 1《化学反应原理》第二章第一节 化学反应速率 实验 2-1，通过分析课本实验的不足，从设计装置方面和数据处理两个方面，结合微型实验的优点进行改进，在化学实验教学过程中渗透“实验探究与创新意识”的化学学科核心素养，启发学生思维，激发学生在实验中探究化学的乐趣。
关键词：实验；改进；化学反应速率的测定
1. 实验原理
化学反应速率属于化学动力学的范畴，在前面的学习过程中，同学们已经能够定性地感受化学反应速率的快慢。反应速率是通过实验测定的，想要研究化学反应进行的快慢以及如何定量表示化学反应速率，就必须建立一套行之有效确定起点，确定时间，易于测量的某种量或性质的变化的方法。因为化学反应中发生变化的是体系中的化学物质（包括反应物和生成物），所以与其中任何一种化学物质的浓度（或质量）相关的性质在测量反应速率时都可以加以利用。
当体系为气态或溶液时，可用单位时间内反应物或生成物的浓度变化来表示这个反应的速率，但是，一般来说在测量时化学反应仍在进行，应用一般化学分析方法测定反应速率存在困难。一个近似的办法是使反应立即停止（如果可以），如通过稀释、降温、加入阻化剂或除去催化剂等方法可以使反应进行得非常慢，便于进行化学分析。但这样即费时费力，又不准确，可以研究的反应也有限。广泛使用的方法是测量物质的性质，如压力、电导率、吸光度等，通过它们与物质浓度的关系实现连续测定。[1]
二、教材中实验的不足

实验步骤：
①按如图所示安装两套装置，在锥形瓶内各盛有2 g锌粒。
②取一套装置，通过分液漏斗加入40 mL 1 mol/L的硫酸，测出收集10 mLH2所用的时间。
③取另一套装置，通过分液漏斗加入40 mL 4 mol/L的硫酸，测出收集10 mL H2所用的时间。
存在的问题：
不足点一：没有排除硫酸的体积对H2体积测量的干扰，导致无法判断是氢气在推还是空气在推活塞
不足点二：因为产生的氢气会向上反冲导致硫酸从分液漏斗处溢出
不足点三：注射器活塞与针筒之间存在较大摩擦阻力，导致注射器内外气压不相等
不足点四：因为锥形瓶体积太大，而实验用的药品量不多，反应产生的气体少，产生气体气压不能迫使注射器活塞移动
不足点五：由于50 mL的注射器内径大，活塞移动的距离短，不同浓度的硫酸制得的气体体积读数刻度差距小，不易观察
不足点六：不能实现连续测定
三、实验改进的方面
设计装置方面
①使用锌粒向硫酸中加入的方式使反应物进行接触，不需要向反应装置内加入液体，排除了硫酸的体积对H2体积测量的干扰
②使用青霉素瓶做反应装置，排除了因锥形瓶体积太大，而实验用的药品量多，反应产生的气体少导致的测量误差
③用输液管做量气装置，没有使用注射器时，活塞与针筒之间存在的摩擦阻力，导致注射器内外气压不相等，以及注射器内径大，活塞移动的距离短等缺点
④由于加入稀硫酸后不能及时控制反应的停止，本实验只要在实验结束时通过拉动尼龙线即可控制反应的停止
⑤本实验为微型实验，减少了实验装置组装的麻烦，实验耗时较短，提高了课堂效率
数据处理方面
①借助 Excel 软件对众多数据进行处理，快速计算出反应速率，并精确绘制出速率 － 时间图，直观地反映出硫酸浓度和温度的变化对速率快慢产生的影响。[2]
②该实验展示了现代计算机技术在高中化学定量实验中的应用所体现的精确性和高效性。
室温下，不同浓度下的稀硫酸与锌（2粒）反应产生的氢气体积与时间的关系表格：

1 mL
2 mL
3 mL
4 mL
5 mL
1 mol/L
6.18s
10.45s
14.84s
19.60s
23.48s
4 mol/L
2.11s
4.66s
7.77s
10.19s
12.96s
室温下，不同浓度下的稀硫酸与锌（2粒）反应产生的氢气体积与时间的变化图：

结果分析：由图可知，硫酸浓度越大，产生相同体积的氢气所用的时间越短
四、改进的实验器材及步骤
实验药品：锌粒、浓硫酸、蒸馏水、氢氧化钠、酚酞
实验仪器：秒表、pH计（自带温度计）、注射器、青霉素瓶子、输液管、烧杯、玻璃棒、尼龙线、绣花针、剪刀、带铁夹的铁架台
实验步骤：
1）检查装置气密性
①将输液管的瓶塞穿刺器插入青霉素的橡胶塞
②连接好装置，向注射器中注入红色液体
③固定量气管，使左右两边液面相平
④用手或热毛巾捂住青霉素瓶一段时间，使量气管内形成左高右低的液面差
⑤调节流量调节器，关闭输液管，观察量气管右侧液面，若发现右侧液面一段时间内不下降则证明气密性良好
2）化学反应速率的测定
①用尼龙线将锌粒绑好固定
②用绣花针将尼龙线穿过青霉素瓶的橡胶塞
③用注射器吸取5mL已配好的稀硫酸并注入青霉素瓶中
④盖上青霉素瓶橡胶塞
⑤每产生1mL氢气时用秒表连续记录所需的时间，同时向下调节量气管右侧注射器管，使量气管左右两侧液面相平
⑥完成测量后将测量结果填入已设计好的Excel表格中，然后进行作图分析
⑦改变实验条件，重复上述实验，对比分析多组数据，得出实验结论
五、实验优点
1、现象直观：反应前后气体体积变化直观，气体测量误差较小。
2、数据准确：数据处理简单、准确、直观、便于分析，使学生体验到了定性实验和定量实验的联系与区别。
3、素养外显：学生查阅文献、自主设计并完成探究活动，将学科素养中的“实验探究与创新意识”外显。
4、实用性强：实验器材容易获取，实现了实验装置的微型化，绿色、环保、经济，操作简单、节约药品、方便携带和组装、缩短实验时间，提高课堂效率，实用性和推广性较强。
可作为教师演示实验和学生分组实验，并可作为校本实验探究的教材，具有很好的推广价值！
参考文献
[1]胡宗球 华英杰 杜小旺．无机化学（上册）．北京：科学出版社，2013：30-31
[2]杨秋旸.Microsoft Excel在高中化学定量实验中的应用——用质量差法测定化学反应速率及浓度对速率的影响[J].化学教与学,2016(04):83-84+90

-全文完-