基于智能手机光传感器探究浓度对化学反应速率的影响

基于智能手机光传感器探究浓度对化学反应速率的影响
柴红梅;闫婷婷;任宜霞;杨子涵;张妍妍
【摘要】利用绿色Led小灯珠作为光源,智能手机光传感器及App作为检测系统,通过测定透过光强度随时间的变化关系,探究高锰酸钾与草酸反应中反应物浓度及酸化时间对化学反应速率的影响.实验结果表明,用智能手机光传感器App法是一种低成本、简单、便携、直观可行的方法,可以使学生使用随身所带的智能手机开展实验研究,使实验教学具有趣味性和科学性,还能更好地培养学生的创新意识.
【期刊名称】《延安大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(038)002
【总页数】6页(P48-53)
【关键词】智能手机光传感器;高锰酸钾;草酸;化学反应速率
【作者】柴红梅;闫婷婷;任宜霞;杨子涵;张妍妍
【作者单位】延安大学化学与化工学院;陕西省化学反应工程重点实验室,陕西延安716000;延安大学化学与化工学院;陕西省化学反应工程重点实验室,陕西延安716000;延安大学化学与化工学院;陕西省化学反应工程重点实验室,陕西延安716000;延安大学化学与化工学院;陕西省化学反应工程重点实验室,陕西延安716000;延安大学化学与化工学院;陕西省化学反应工程重点实验室,陕西延安716000
【正文语种】中文
【中图分类】O657.32
人教版《高中化学(选修4)》第二章第二节在探究“反应物浓度对化学反应速率的
影响”实验[1]是高中阶段化学学习的重点内容，也是教学中的重点。

但存在以下
问题：
(1)没有明确指定H2SO4溶液的浓度和体积及酸化时间等。

在实际实验操作中，
对实验结果影响较大。

本实验目的是加入较浓的H2C2O4溶液时褪色更快，但是
有时候也会出现反常现象[2]。

(2)实验中用肉眼判断反应褪色的时间是建立在感官的观察基础上，但学生对颜色
变化的感知有所不同，所以很难确定反应褪色的真实时间，导致结果偏差较大。

近年来智能手机传感技术已成为十分令人关注的研究热点[3-5]。

李嘉[4]利用手机
的图像传感器及App软件Color Grab来获取FeCl3溶液的图像，通过比较色差
值大小来探究浓度对化学平衡的影响，但是并未直接给出浓度与时间的关系。

本文利用比较普及的智能手机及光学传感器App作为检测器、单色Led灯作为光源，通过检测反应体系透过光强度与时间关系来计算吸光度与时间的关系，分别探究高锰酸钾酸化时间和不同反应物的初始浓度对反应速率的影响，建立一种简单、便携、经济和严谨直观的方法来研究反应物浓度对反应速率的影响。

该方法不仅通过自组装实验装置，将化学实验现象及时、快捷地转化为实验数据及相应的曲线变化，让学生快速理解实验现象，掌握实验结论，帮助学生掌握控制变量法、数据的处理和分析方法，而且减小肉眼对反应褪色时间判断的误差，更为视觉障碍的学生提供帮助，适用人群广泛，将为智能手机引入实验提供一定借鉴，使学生对探究活动的积极性更高，有利于培养学生的观察和分析图表的能力，从而更好地体现化学学科核心素养体系中的科学探究与创新意识。

1 实验部分
1.1 实验原理
在酸性高锰酸钾与草酸反应过程中，只有高锰酸钾呈现紫色，其选择性吸收绿光，故该反应体系在525 nm处有最大吸收。

基于朗伯比尔定律：A=-lgT=Kbc，反应速率式中K和b均为常数，所以A随时间的变化趋势就是高锰酸钾浓度随时间的
变化趋势。

本文利用单一波长光源(517～525 nm绿色Led小灯珠)作为入射光，
智能手机光学传感器App“phyphox”为检测器，通过检测纯水和不同时刻透过
光的强度(I0和I)，进一步计算不同时刻对应的吸光度A(A=-lg(I/I0))与时间的关系，进而掌握浓度对反应速率的影响。

1.2 主要实验仪器和试剂
智能手机、517～525 nm绿色Led小灯珠
(2.8 V-3.4 V)、电脑、比色皿；
0.01 mol/L高锰酸钾(KMnO4)溶液、4 mol/L硫酸(H2SO4)溶液、0.05 mol/L、
0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L草酸(H2C2O4)溶液和蒸馏水。

1.3 实验过程
(1)手机安装App：打开智能手机软件商店应用，查找phyphox软件，下载并安装；
(2)按照图1组装实验仪器：将手机、比色皿和绿色led小灯珠放置于暗箱中，注
意将光源对准智能手机光感应口；
图1 实验装置图
(3)在室温下，用移液管依次移取一定体积的KMnO4溶液，蒸馏水(为了使反应体系总体积不变)，一定体积的H2SO4溶液置于试管中，摇匀放置一定时间后，加
入一定体积的H2C2O4溶液(加入一半时开始计时)，再次摇匀，迅速置于比色皿
并放入实验装置(见图1所示)，当时间为60 s时点击手机App(phyphox)(如图2)软件中light项右上角白色三角形进行测量，此时体系透过光强度随时间进行变化，如图3所示，等光强度基本稳定后，点击右上角白色双竖线暂停；后点击右上角
白色三点，选择“Save experiment state”中“share”用微信、QQ或者其他
方式导出数据[5]，同时目测剩余溶液褪色时间t/s；
图2 “phyphox”软件
图3 light测量图
(4)数据处理：按照A=-lgT=-lg(I/I0)，求出溶液的吸光度A，并绘制A-t曲线。

2 结果与讨论
2.1 不同草酸浓度下硫酸浓度对反应速率的影响
分别移取0.50 mL KMnO4溶液、8～0 mL蒸馏水、1～9 mL H2SO4置于试管中，摇匀，酸化300 s钟后立即加入不同浓度的H2C2O4溶液各4.00 mL，按照实验方法测得的结果见表1和图4。

由表1可知，智能手机与人眼目测反应体系褪色所需的时间差异较大，这是因为
人的肉眼对颜色的感知差异，对反应体系褪色的终点判断不同，一部分人对反应体系褪色终点的感受具有延迟性，一部分人可能有超前性，判断反应褪色终点因人而异，导致每个人所记录反应体系褪色的时间与智能手机所记录的反应体系褪色的时间有明显区别。

结合图4分析得，控制其他反应物的条件不变，改变硫酸的浓度，对整个反应体系的影响特别大，在同一浓度草酸溶液下，硫酸的浓度增加，反应体系褪色时间逐渐减少，反应速率加快。

但是在同一硫酸浓度下，当草酸浓度较大时，随着草酸浓度的增加，反应速率逐渐加快，但是当草酸浓度较小时，反应速率反而较快[6]，这种反常现象与文献一致，所以结合学生实验时褪色不易过长和过短，
选择反应体系中所加入的草酸浓度不宜过低，硫酸体积为3.00 mL左右。

表1 在不同草酸浓度下硫酸浓度对反应速率的影响对比VH2SO4/mL反应褪色时间智能手机测得反应褪色时间/s 人眼观察记录反应褪色时间/s
t0.05t0.1t0.2t0.5t0.05t0.1t0.2t0.51.001954353902001803602952302.001802 052401701601801601503.001301501301251001601001005.001201401001
1010015090957.001201408011010012060659.00120120801101001206065 注：t0.05表示反应体系加入0.05 mol/L H2C2O4溶液，反应褪色所需的时间，其他依次类推。

图4 不同草酸浓度下硫酸浓度对褪色时间的影响
2.2 不同草酸浓度下酸化时间对反应速率的影响
取KMnO4溶液0.50 mL、H2SO4溶液3.00 mL置于试管中，摇匀，放置不同的时间后分别加不同浓度的H2C2O4溶液4.00 mL，按照实验方法进行实验，结果见表2和图5。

由表2进一步可以证明肉眼观察的局限性，结合表2和图5可知，酸化时间对反应速率的影响不可忽视，在同一草酸浓度下，随着酸化时间的增加，反应速率逐渐加快，在酸化300 s后，不同浓度的草酸溶液使高锰酸钾溶液褪色的时间基本趋于一致。

其中的原因主要可能是在酸性条件下，随着酸化时间的不断延长，体系中二价锰离子逐渐增多，二价锰离子的催化作用导致反应速率加快，最终以二价锰离子的催化作用为主[7]。

在酸化时间较短时，随着草酸浓度的增加，反应速率先加块后减慢，在酸化时间较长时(大于240 s)，随着草酸浓度的增加，反应速率逐渐加快。

因此，结合有限的课堂实验时间内，建议高锰酸钾溶液即用即酸化，酸化时间不可提前过长，可提前酸化300 s左右，实验效果更佳。

表2 不同草酸浓度下酸化时间对反应速率的影响对比酸化时间t/s反应褪色时间智能手机测得反应褪色时间/s 人眼观察记录反应褪色时间/s
t0.05t0.1t0.2t0.5t0.05t0.1t0.2t0.560125115150145130110105150120120110 1251351201051001401801151101201201101051001102401101051009510 5100859530011510090551109080603601151009080110908060
图5 不同草酸浓度下酸化时间对褪色时间的影响
2.3 不同草酸浓度下高锰酸钾浓度对反应速率的影响
按照试验方法，在4.00 mL不同草酸浓度下试验了不同高锰酸钾浓度(0.10、0.30、0.50、0.70、1.00mL)对反应速率的影响，结果见图6。

从图6可见，在同一浓度的草酸溶液中，当高锰酸钾溶液浓度增加时，反应体系
褪色时间快慢有所区别，在低浓度的高锰酸钾溶液(0.10 mL、0.30 mL)和低浓度
的草酸溶液(0.05 mol/L、0.1 mol/L)时，由于反应物溶液浓度均过小，所以溶液
褪色时间较其高浓度的反应物褪色时间缓慢，因此高锰酸钾溶液的浓度不宜过小；同时，在同一浓度的高锰酸钾溶液中，草酸溶液浓度增大不利于产物—硫酸钾、
硫酸锰和二氧化碳的扩散，当草酸溶液浓度增大到一定程度时，反应速率反而变慢[8]。

当高锰酸钾溶液体积从0.50 mL增加至1.00 mL时，溶液褪色时间变化不大，建议在课堂的有限时间内，实验选择高锰酸钾溶液的体积为0.50 mL左右较为适宜。

图6 不同草酸浓度下高锰酸钾浓度对褪色时间的影响
3 结论
随着反应物浓度的增加和酸化时间的延长，反应速率基本都是加快，但是在酸性较大的高锰酸钾溶液与草酸溶液的反应体系中，草酸溶液浓度越小，反应速率越快。

结合课堂有限教学时间内，建议选择0.01 mol/L KMnO4溶液0.50 mL、4
mol/L H2SO4溶液3.00 mL、酸化300 s左右后立即分别加入不同浓度的
H2C2O4溶液各4.00 mL进行试验。

在这个信息化的时代下，智能手机基本人手一部，而且被广泛应用于各个领域，在智能手机中隐藏着很多不同的传感器，如重力传感器、温度传感器、距离传感器、光线传感器等，而且智能手机中有一些传感器的App与之对应。

基于传感技术的
科学实验，是以传感器为核心工具，与信息技术相整合，实现了科学实验过程中数据自动采集、直观显示以及实验数据的图形化[9]。

有望把智能手机传感技术应用
于各类教育领域中，如中学、大学等的化学、物理和生物实验中，既丰富了教学工具，降低了实验成本，提高了实验的趣味性、准确性与科学性，又体现教育教学的现代化与信息智能化，激发了学术的实验兴趣。

【相关文献】
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