指向核心素养培育的微科技项目

凌一洲 杨建 任泽中 高文蓓

摘要： 在中考化学试题中，常涉及生成气体（如氢气、二氧化碳和氧气）的质量随时间变化的曲线图。研究发现，此类试题的一些相关曲线图存在科学性问题。基于数字化的实验研究表明，此类反应生成气体的速率在直角坐标系内并不是呈现上升型的一次函数图像，而是整体呈上升趋势且越来越平缓的曲线。在中考命题时，涉及的图像素材应该尽量真实合理，这样才能充分发挥考试的评价功能，同时提高学生的数形转化能力。

关键词： 中考化学题; 图像题; 科学性; 一次函数图像

文章编号： 10056629（2019）4008104中图分类号： G633.8文献标识码： B

在化学教学中，图像不仅是信息呈现的重要方式，也是研究和处理化学问题的一种常用方法，因而图像题备受中考化学命题者的青睐。

前不久，我们统计了近两年全国各地的120份中考化学试卷，发现其中有50多道试题涉及反应生成气体（如氢气、氧气、二氧化碳）的质量随反应时间变化的曲線图，如2017年甘肃省兰州市、四川省南充市和山东省烟台市的中考题，以及2018年湖北省咸宁市及随州市的中考题等。我们借助于文献[1～3]及数字化实验等研究手段发现，上述图像存在一定的科学性问题。

1 图像题实例

下面我们选取2017年甘肃省兰州市的有关中考化学图像题[4]进行分析、研究。

本题的A、 C选项，是直角坐标系内反应生成氧气、氢气的质量随时间变化的函数图像，即生成气体的速率图。在真实的反应过程中，生成气体的速率图像是否呈一次函数方式上升呢？我们从理论和实验两个方面，对此问题进行了研究。

2 理论分析

针对某一特定的化学反应（如双氧水分解放出氧气、活泼金属与酸溶液反应放出氢气、碳酸钙与盐酸反应放出二氧化碳气体等），影响反应速率的因素有反应物的浓度、反应体系所处的环境温度、反应物的形状、生成物的溶解性、催化剂等。一般来讲，如果反应物的浓度大、反应的温度高、反应物的比表面积大，那么微粒之间发生有效碰撞的机会就多，即反应速率就很快。

不难想到，由于在反应过程中反应物的浓度越来越小，而且反应的温度、反应物的比表面积也都处于变化之中，因此生成气体的量与反应时间的关系并不是单纯的正比例关系，即直角坐标系内的反应速率曲线图并不是上升型的一次函数图像。

3 实验探究

我们选用苏威尔数字化实验仪器进行有关的实验验证。

由于氢气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器的最大量程有限（一般低于10%），不适合测定此类反应生成的气体体积，因此本实验都采用气体压强传感器测定生成气体的量（这样也便于实验操作）。由于气体的压强受温度的影响较大，为了减少温度对气体压强的影响而引起的误差，我们一方面注意选用低浓度的反应物，另一方面将气体发生装置浸在冰水中。冰水的作用是使反应的温度控制在相对恒定的条件下，使得到的曲线更加清晰、误差更小。

3.1 测定过氧化氢分解产生氧气的量随反应时间变化的曲线图综合考虑反应放热、反应速率等因素，我们选用3%的过氧化氢溶液与二氧化锰粉末进行实验。

3.1.1 实验用品

3%的过氧化氢溶液、粉末状二氧化锰和冰水等苏威尔温度传感器（型号ZC0009），苏威尔压强传感器（型号ZC0024），250mL的三口烧瓶（含配套的单孔橡皮塞），10mL的注射器等

3.1.2 实验装置

3.1.3 实验步骤

（1） 在三口烧瓶内放入适量的二氧化锰，在其左、右支管口上分别插入压强传感器和温度传感器，在其中间支管口上插入注射器针头（注射器内预先吸入10mL3%的过氧化氢溶液），然后把三口烧瓶放入冰水中，再按图1所示，连好整个实验装置。

（2） 打开苏威尔软件，点击“开始”按钮，同时推动注射器活塞将双氧水缓慢注入到三口烧瓶内。此时，电脑屏幕上就开始显示反应过程中装置内的气体压强、温度随反应时间变化的曲线（见图2、图3）。

（3） 重复上述实验3～4次，我们发现每一次测得的结果都极为相似。

3.2 测定碳酸钙与盐酸反应生成二氧化碳的量随反应时间变化的曲线图大理石、石灰石、碳酸钙等都能与盐酸反应生成二氧化碳气体，但综合考虑反应放热、反应速率等因素，我们选用碳酸钙粉末和0.73%的稀盐酸进行实验。

3.2.1 实验用品

0.73%的稀盐酸、碳酸钙粉末、冰水等。仪器同实验3.1

3.2.2 实验步骤

（1） 在三口烧瓶内加入0.51g碳酸钙粉末，在其左、右支管口上分别插入压强传感器、温度传感器，在其中间支管口上插入注射器针头（注射器内预先吸入10mL0.73%的稀盐酸），然后把三口烧瓶放入冰水中，再按图1所示连好整个实验装置。

（2） 打开苏威尔软件，点击“开始”按钮，同时推动注射器活塞将稀盐酸缓慢注入三口烧瓶内。此时，电脑屏幕上就开始显示反应过程中装置内的气体压强及温度随反应时间变化的曲线（见图4、图5）。

（3） 重复上述实验3～4次，我们发现每一次测得的结果都极为相似。

3.3 测定镁与盐酸反应生成氢气的量随反应时间变化的曲线图活泼金属都能与盐酸反应放出氢气，但综合考虑反应速率、反应放热等因素，我们采用洁净的镁条与2%的稀盐酸反应进行实验。

3.3.1 实验用品

2%的稀盐酸、洁净的镁条、冰水等，仪器同实验3.1。

3.3.2 实验步骤

（1） 在三口烧瓶内放入0.05g洁净的镁条，在其左、右支管口上分别插入压强传感器、温度传感器，在其中间支管口上插入注射器针头（注射器内预先吸入10mL2%的稀盐酸），然后把三口烧瓶放入冰水中，再按图1所示连好整个实验装置。

（2） 打开苏威尔软件，点击“开始”按钮，同时推动注射器活塞将稀盐酸缓慢注入三口烧瓶内。此时，电脑屏幕上就开始显示反应过程中装置内的气体压强及温度随反应时间变化的曲线（见图6、图7）。

（3） 重复上述实验3～4次，我们发现每一次测得的结果都极为相似。

4 实验的注意事项

（1） 在装入药品之前要检查装置的气密性，即轻轻用力向下推动注射器活塞一小段距离，然后松开手，若活塞能很快恢复到原来的位置，则装置的气密性良好。为了确保实验装置具有良好的气密性，三口烧瓶上的单孔橡皮塞一定要塞紧。

（2） 实验过程中要严格控制三口烧瓶内的气体压强（以不超过150kPa为宜），以防气体较多引起容器冲塞，造成实验失败甚至酿成实验事故。

（3） 实验结束，立刻拔掉三口烧瓶上的橡皮塞（防止瓶内气压过大引起冲塞），然后整理实验用品，处理实验数据。

5 实验分析与结论

从上述温度变化曲线图可以发现，反应过程中温度的变化并不明显，说明利用冰水控制实验体系的温度是有效的，因此借助于气体压强传感器测量反应生成气体的量是可行的，相关的误差也是合理的。

从上述生成气体的量随反应时间变化的曲线图可知，反应生成气体（氧气、二氧化碳、氢气）的 量随反应时间变化的曲线并非是以一次函数的形式直线上升，而是先快速上升再缓慢上升直至水平。這主要是因为反应物浓度不断减小，引起了反应速率的逐渐减缓。

6 结束语

总之，上述系列实验，设计科学、操作可行、结论可靠，不仅丰富了实验教学资源，还可以作为学生的探究性学习范例。

另外，我们在命制这类中考图像题时，涉及的化学反应生成气体的速率图，既要符合事实（曲线总体呈上升趋势且逐渐平缓），又要简单实用好看（曲线的线条尽量平滑，如图8所示），从而在确保试题科学性的前提下有利于学生答题。

参考文献：

[1]包朝龙. 宁波市高中化学创新实验作品荟萃[J]. 化学教学， 2014， （11）： 42～45.

[2]邱联妹. 利用数字化仪器探析氧气收集实验中的纯度问题[J]. 化学教与学， 2017， （8）： 88～90.

[3]夏建华， 杨静. 基于学科核心素养的初中化学科学探究——以“探究铝和稀盐酸、 稀硫酸反应”为例[J]. 化学教学， 2017， （5）： 46～50.

[4]2017年兰州市初中学业水平考试·化学（A）[EB/OL]. http：//www.zxxk.com/soft/6444463.html， 2018-7-26.