论文部分内容阅读
摘要：指示剂溴百里香酚蓝（BTB）溶液的变色范围正好处于H2C03溶液浓度变化的区间，利用在不同C02气体压强下，指示剂颜色变化的快慢，结合智能手机光传感器技术手段或多媒体照片RGB编码技术手段，采集并导出指示剂颜色变化产生的光学数据，绘制与H2C03浓度变化相关联的光学数据变化曲线，来探索研究C02气体压强对二氧化碳与水生成碳酸反应速率的影响。
关键词：压强;反应速率;溴百里香酚蓝;光传感器;吸光度
文章编号：1008-0546（2020）04-0093-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.025
压强是影响化学反应速率的因素之一，人教版和苏教版教材中都没有通过实验来探索压强对反应速率影响，而是直接进行图示分析和本质解释[1，2]。很多化学同行也有较多对此实验的研究，王井明[3]老师通过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，但熏香火星变化在瞬间，不易使学生视觉捕获。王敬义、李双、霍爱新[4]提出利用压强传感器与酸度传感器结合，探究压强对反应速率的影响，所需硬件条件和技术条件要求过高，而尚未配备手持技术实验装备的高中学校难于实现。基于以上因素，开发利用H2CO3指示剂溴百里香酚蓝来实验，通过手机App软件PHYPHOX的光感强度变化曲线或数码照片RGB值吸光度变化曲线，来探究CO2气体压强对CO2（g） H20（1） H2CO3（aq）反应速率的影响。
一、实验原理
1.溴百里香酚蓝
溴百里香酚蓝（Bromothmol blue，缩写BTB）是一种白色晶体，别名溴麝香草酚蓝，分子式C27H28Br205S，分子结构如图1所示。
溴百里香酚蓝是一种小范围精密酸碱指示剂，其变色范围为pH值6.0～7.6，碱性呈蓝色，酸性呈黄色，过渡态呈绿色（见图2）。生物学中常用于植物种子或微生物在水中呼吸作用产生的微量CO2气体的检测，因其生成的H2CO3浓度的大小正好影响其变色，当呼吸作用产生少量CO2时，溶液由蓝变绿，当呼吸作用产生CO2量增大时，溶液由绿变黄，以此来证明生物体的生命活跃程度。
2.App：PHYPHOX
PHYPHOX是德国亚琛T业大学的学者基于手机白带或外挂传感器开发的一款软件，可通过智能手机测量加速度、角速度、光强度、磁场强度、气压、声音的振幅和频率等29种物理量，还可以多个传感器模块化组合，研究更为复杂的物理现象。实验数据以图表或数字的形式呈现，并可以EXCEL等多种格式导出为电脑文件。本实验中借助智能手机的光传感器，利用可见光透过不同颜色溶液后光线强度的变化（本实验中为增强）来说明H2C03浓度的变化。
3.RGB值吸光度
多媒体数码照片格式常用RGB标准来表达每一点像素，通过R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色通道相互之间的比例叠加来得到一千六百七十多万种不同的颜色（32位处理系统）。肉眼对数码照片颜色的观察也是通过屏幕显示光的波长不同来实现的，所以RGB值与光的波长是有函数关系的，即可以简单地用RGB三个中的任意一个值的变化（通常选择干扰小的、变化明显的）来表示吸光度（A）变化，换算公式如下： A=-log（In/I0） 10、In分别表示初始溶液照片和样品反应过程中照片取若干个像素点的RGB中的一个值的平均数（本实验中G值变化最为明显）。
二、实验过程
1.实验药品与仪器
（1）药品：溴百里香酚蓝（天津市致远化学试剂有限公司），1%稀氨水，蒸馏水，二氧化碳气体，某品牌无色汽水。
（2）仪器：lOOmL注射器，lOOmL圆底烧瓶，橡皮塞，Y形试管，移液管，胶头滴管，装有安卓系统及PHYPHOX软件的智能手机，LED手电筒，黑色纸片。
2.实验操作与步骤
（l）溴百里香酚蓝水溶液的配制
取0.5g溴百里香酚蓝晶体，溶解于煮沸过的500mL蒸馏水中，待溶解后用滤纸过滤去不溶性殘渣，滴入1滴1%的稀氨水，使溶液呈蓝色，保存于棕色试剂瓶中，可长期使用[5]。
（2）用智能手机光感应器测试透光性
在一支圆底烧瓶中注入30mL溴百里香酚蓝水溶液，塞紧橡皮塞，半倾斜式置于事前制作好的空心黑纸质网筒上，并用铁夹固定。打开置于烧瓶上方的LED手电筒，关闭室内光源，将智能手机的PHYPHOX打开后放置于空心网筒底部，仅在纸筒内露出光感应器接受光线，避免屏幕光线影响光感应器（如图3）。
用注射器向烧瓶中注入15mL CO2气体，观察溶液的颜色变化。七分钟后停止实验，取出手机，保存实验数据。另取一支同批号的圆底烧瓶，加装试剂后，微调烧瓶与纸筒的位置，使手机显示的光感值与前一次实验初始时的光感值尽量接近，然后注入30mL CO2气体，反应相同的时间，观察颜色变化并保存实验数据。
从手机上导出两次的实验数据，以EXCEL格式生成文档，传输到电脑上，删除初始调节仪器时的无效数据，两次反应各获得6288个有效数据，对每lOs内的约124个数据取平均值，各得到43个每lOs变化的平均值，用EXCEL软件绘制成曲线（如图4），进行对比分析。 （3）透光性变化曲线的分析
从图像中可以看到，充入30mL C02气体的透光性增强的比充入15mL CO2气体的要明显，说明CO2气体压强越大，溶液PH值下降地更快，溶液的颜色更快地由透光性弱的蓝色向透光性强的绿色和黄色变化。以此可以证明增大CO2气体的压强，产生H2CO3的速率就越快，即加快了CO2（g） H2O（l） H2CO3（aq）反应的速率。
（4）利用RGB值绘制吸光度变化曲线
取两支相同批号的Y形试管，分别在一个分支管中，用移液管或较长的胶头滴管各注入2mL溴百里香酚蓝水溶液，塞紧橡皮塞。用较长的胶头滴管分别向另一个支管中各注入2mL、4mL某品牌无色汽水，观察溶液的颜色变化快慢，并用手机或其他摄录设备录下两个Y形试管中的溶液颜色变化，注意两个Y形试管要置于光线对等位置摄录（如图5），Smin后停止实验。
把视频文件导入电脑，用播放软件打开视频，暂停视频在未注入CO2时，用QQ、360浏览器等截图软件或专用RGB屏幕取色软件（PIEXL等），读取两个试管中颜色RGB值中的G值，每个支管中点取颜色最清晰的五个像素，输入EXCEL表格中，求取平均值作为Io。然后每lOs暂停一次，用相同的方法获取G值作为In，根据公式获得各31个吸度光（A）值，并用EXCEL绘制吸光度变化曲线（如图6）。
（5）吸光度变化曲线的分析
从图像可以看出，放入4mL汽水的Y形试管中，汽水释放的CO：气体要多，容器内的压强比放入2mL汽水的Y形试管中要大，而溴百里香酚蓝溶液更快地从蓝色转变为绿色，最后转变为黄色，所以溶液的吸光度下降明显要快。证明了增大CO2气体的压强可以使产生H2CO3的速率加快，即加快了CO2（g） H2O（l） H2CO3（aq）反应的速率。在实验后期，吸光度比较接近，可能是由于溶液吸收的CO2已經趋于饱和，所以吸光度数值比较接近。
三、评价与结语
实验采用生物学研究中的专用指示剂溴百里香酚蓝，实现学科之间的知识互补，培养学生跨学科研究的意识。实验通过简单易得的装置，将抽象的理论转化为直观的实验现象并得到真实的实验数据，不仅增加了该理论的说服力，而且还培养了学生测定数据、处理数据、分析数据、解读数据的能力，发展学生“证据推理与模型认识”的核心素养。虽然通过简单的仪器测量获得了大量的光学数据，但实验手段和实验设备还是很粗糙的，获得的数据也存在较大的误差，如何设计更佳的实验方案，以提高信噪比，减小实验误差，才能使实验的数据更具有科学性，这也是本实验改进优化的方向。我们通过现代的科技手段，在学生观察实验的过程中，配以数据化处理，使学生更能体会实验所蕴含的化学原理，加深对化学知识的理解和应用。
参考文献
[1] 宋心琦.化学（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：21
[2] 王祖浩.化学反应原理（选修）[M].南京：江苏教育出版社，2014：37
[3] 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（12）：26
[4]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（2）：86-88
[5] 高海元.浅谈溴麝香草酚蓝[J].生物学教学，2013，38（IO）：63
关键词：压强;反应速率;溴百里香酚蓝;光传感器;吸光度
文章编号：1008-0546（2020）04-0093-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.025
压强是影响化学反应速率的因素之一，人教版和苏教版教材中都没有通过实验来探索压强对反应速率影响，而是直接进行图示分析和本质解释[1，2]。很多化学同行也有较多对此实验的研究，王井明[3]老师通过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，但熏香火星变化在瞬间，不易使学生视觉捕获。王敬义、李双、霍爱新[4]提出利用压强传感器与酸度传感器结合，探究压强对反应速率的影响，所需硬件条件和技术条件要求过高，而尚未配备手持技术实验装备的高中学校难于实现。基于以上因素，开发利用H2CO3指示剂溴百里香酚蓝来实验，通过手机App软件PHYPHOX的光感强度变化曲线或数码照片RGB值吸光度变化曲线，来探究CO2气体压强对CO2（g） H20（1） H2CO3（aq）反应速率的影响。
一、实验原理
1.溴百里香酚蓝
溴百里香酚蓝（Bromothmol blue，缩写BTB）是一种白色晶体，别名溴麝香草酚蓝，分子式C27H28Br205S，分子结构如图1所示。
溴百里香酚蓝是一种小范围精密酸碱指示剂，其变色范围为pH值6.0～7.6，碱性呈蓝色，酸性呈黄色，过渡态呈绿色（见图2）。生物学中常用于植物种子或微生物在水中呼吸作用产生的微量CO2气体的检测，因其生成的H2CO3浓度的大小正好影响其变色，当呼吸作用产生少量CO2时，溶液由蓝变绿，当呼吸作用产生CO2量增大时，溶液由绿变黄，以此来证明生物体的生命活跃程度。
2.App：PHYPHOX
PHYPHOX是德国亚琛T业大学的学者基于手机白带或外挂传感器开发的一款软件，可通过智能手机测量加速度、角速度、光强度、磁场强度、气压、声音的振幅和频率等29种物理量，还可以多个传感器模块化组合，研究更为复杂的物理现象。实验数据以图表或数字的形式呈现，并可以EXCEL等多种格式导出为电脑文件。本实验中借助智能手机的光传感器，利用可见光透过不同颜色溶液后光线强度的变化（本实验中为增强）来说明H2C03浓度的变化。
3.RGB值吸光度
多媒体数码照片格式常用RGB标准来表达每一点像素，通过R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色通道相互之间的比例叠加来得到一千六百七十多万种不同的颜色（32位处理系统）。肉眼对数码照片颜色的观察也是通过屏幕显示光的波长不同来实现的，所以RGB值与光的波长是有函数关系的，即可以简单地用RGB三个中的任意一个值的变化（通常选择干扰小的、变化明显的）来表示吸光度（A）变化，换算公式如下： A=-log（In/I0） 10、In分别表示初始溶液照片和样品反应过程中照片取若干个像素点的RGB中的一个值的平均数（本实验中G值变化最为明显）。
二、实验过程
1.实验药品与仪器
（1）药品：溴百里香酚蓝（天津市致远化学试剂有限公司），1%稀氨水，蒸馏水，二氧化碳气体，某品牌无色汽水。
（2）仪器：lOOmL注射器，lOOmL圆底烧瓶，橡皮塞，Y形试管，移液管，胶头滴管，装有安卓系统及PHYPHOX软件的智能手机，LED手电筒，黑色纸片。
2.实验操作与步骤
（l）溴百里香酚蓝水溶液的配制
取0.5g溴百里香酚蓝晶体，溶解于煮沸过的500mL蒸馏水中，待溶解后用滤纸过滤去不溶性殘渣，滴入1滴1%的稀氨水，使溶液呈蓝色，保存于棕色试剂瓶中，可长期使用[5]。
（2）用智能手机光感应器测试透光性
在一支圆底烧瓶中注入30mL溴百里香酚蓝水溶液，塞紧橡皮塞，半倾斜式置于事前制作好的空心黑纸质网筒上，并用铁夹固定。打开置于烧瓶上方的LED手电筒，关闭室内光源，将智能手机的PHYPHOX打开后放置于空心网筒底部，仅在纸筒内露出光感应器接受光线，避免屏幕光线影响光感应器（如图3）。
用注射器向烧瓶中注入15mL CO2气体，观察溶液的颜色变化。七分钟后停止实验，取出手机，保存实验数据。另取一支同批号的圆底烧瓶，加装试剂后，微调烧瓶与纸筒的位置，使手机显示的光感值与前一次实验初始时的光感值尽量接近，然后注入30mL CO2气体，反应相同的时间，观察颜色变化并保存实验数据。
从手机上导出两次的实验数据，以EXCEL格式生成文档，传输到电脑上，删除初始调节仪器时的无效数据，两次反应各获得6288个有效数据，对每lOs内的约124个数据取平均值，各得到43个每lOs变化的平均值，用EXCEL软件绘制成曲线（如图4），进行对比分析。 （3）透光性变化曲线的分析
从图像中可以看到，充入30mL C02气体的透光性增强的比充入15mL CO2气体的要明显，说明CO2气体压强越大，溶液PH值下降地更快，溶液的颜色更快地由透光性弱的蓝色向透光性强的绿色和黄色变化。以此可以证明增大CO2气体的压强，产生H2CO3的速率就越快，即加快了CO2（g） H2O（l） H2CO3（aq）反应的速率。
（4）利用RGB值绘制吸光度变化曲线
取两支相同批号的Y形试管，分别在一个分支管中，用移液管或较长的胶头滴管各注入2mL溴百里香酚蓝水溶液，塞紧橡皮塞。用较长的胶头滴管分别向另一个支管中各注入2mL、4mL某品牌无色汽水，观察溶液的颜色变化快慢，并用手机或其他摄录设备录下两个Y形试管中的溶液颜色变化，注意两个Y形试管要置于光线对等位置摄录（如图5），Smin后停止实验。
把视频文件导入电脑，用播放软件打开视频，暂停视频在未注入CO2时，用QQ、360浏览器等截图软件或专用RGB屏幕取色软件（PIEXL等），读取两个试管中颜色RGB值中的G值，每个支管中点取颜色最清晰的五个像素，输入EXCEL表格中，求取平均值作为Io。然后每lOs暂停一次，用相同的方法获取G值作为In，根据公式获得各31个吸度光（A）值，并用EXCEL绘制吸光度变化曲线（如图6）。
（5）吸光度变化曲线的分析
从图像可以看出，放入4mL汽水的Y形试管中，汽水释放的CO：气体要多，容器内的压强比放入2mL汽水的Y形试管中要大，而溴百里香酚蓝溶液更快地从蓝色转变为绿色，最后转变为黄色，所以溶液的吸光度下降明显要快。证明了增大CO2气体的压强可以使产生H2CO3的速率加快，即加快了CO2（g） H2O（l） H2CO3（aq）反应的速率。在实验后期，吸光度比较接近，可能是由于溶液吸收的CO2已經趋于饱和，所以吸光度数值比较接近。
三、评价与结语
实验采用生物学研究中的专用指示剂溴百里香酚蓝，实现学科之间的知识互补，培养学生跨学科研究的意识。实验通过简单易得的装置，将抽象的理论转化为直观的实验现象并得到真实的实验数据，不仅增加了该理论的说服力，而且还培养了学生测定数据、处理数据、分析数据、解读数据的能力，发展学生“证据推理与模型认识”的核心素养。虽然通过简单的仪器测量获得了大量的光学数据，但实验手段和实验设备还是很粗糙的，获得的数据也存在较大的误差，如何设计更佳的实验方案，以提高信噪比，减小实验误差，才能使实验的数据更具有科学性，这也是本实验改进优化的方向。我们通过现代的科技手段，在学生观察实验的过程中，配以数据化处理，使学生更能体会实验所蕴含的化学原理，加深对化学知识的理解和应用。
参考文献
[1] 宋心琦.化学（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007：21
[2] 王祖浩.化学反应原理（选修）[M].南京：江苏教育出版社，2014：37
[3] 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（12）：26
[4]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（2）：86-88
[5] 高海元.浅谈溴麝香草酚蓝[J].生物学教学，2013，38（IO）：63