洪俊華 趙寧東 劉俊 劉江

摘要：為研究碘鐘振蕩反應(yīng)隨氫離子濃度的變化規(guī)律，在自制“暗箱”內(nèi)以LED燈作為光源，用手機軟件和手機內(nèi)置光線傳感器做檢測系統(tǒng)，將透過不同濃度氫離子碘鐘振蕩體系光強度變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的變化，繪制出碘鐘振蕩反應(yīng)周期性變化曲線。實驗結(jié)果表明：隨著氫離子濃度的改變，振蕩周期、周期穩(wěn)定性及各階段持續(xù)振蕩時間變化能在曲線上表現(xiàn)出來。為研究碘鐘反應(yīng)提供一種新的技術(shù)和方法。

關(guān)鍵詞：振蕩反應(yīng);手機傳感器;數(shù)字信號;碘鐘反應(yīng)

文章編號：1008-0546（2020）09-0085-03

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

手持技術(shù)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套分析軟件組成的實驗技術(shù)系統(tǒng)，它不僅是一種先進的定量采集科學(xué)實驗中各種常見數(shù)據(jù)呈現(xiàn)直觀可視的曲線圖像的現(xiàn)代教育信息技術(shù)，也可以作為有助于學(xué)生克服抽象概念學(xué)習(xí)難點的認(rèn)知工具。

振蕩反應(yīng)是指在某一體系中，某些狀態(tài)量（如物質(zhì)的濃度，電極電勢）隨時間、空間發(fā)生周期性變化的反應(yīng)。在自然界中有很多生物化學(xué)例子，如動物的脈搏、體溫、血壓隨著晝夜變化做周期性變化，控制人體生理活動的“生物鐘”，昆蟲翅膀周期性的振動等。非生命的碘鐘反應(yīng)也是一種化學(xué)振蕩反應(yīng)，神奇的現(xiàn)象吸引著科學(xué)愛好者。綜合分析文獻資料發(fā)現(xiàn)，化學(xué)教育領(lǐng)域關(guān)于碘鐘實驗的報道多集中于化學(xué)史的梳理及用不同的試劑來完成實驗設(shè)計，在實驗過程中多數(shù)采用肉眼觀察顏色變化和計時器計時的方式研究周期性變化和反應(yīng)持續(xù)總時間。碘鐘反應(yīng)顏色振蕩具有動態(tài)性，靠肉眼觀察顏色變化很難準(zhǔn)確判斷顏色變化的關(guān)鍵點，不方便計時。林瑞蓮等通過自編計算機程序的方法改進了碘鐘實驗中數(shù)據(jù)采集與處理，實驗過程需要手動點擊鼠標(biāo)完成數(shù)據(jù)的記錄。孫影等利用氧化還原傳感器（ORP）與相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器獲取反應(yīng)過程中體系“時間一電位”變化，從微觀角度幫助學(xué)生了解實驗現(xiàn)象背后的反應(yīng)本質(zhì)，效果好于肉眼觀察。

在碘鐘振蕩體系中溶液呈現(xiàn)出“無色一琥珀色一藍(lán)色”周期性變化?；诖耍谩癙hyphox”軟件調(diào)用手機內(nèi)置傳感器，把透過碘鐘振蕩體系光強度的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號變化并繪制成信號變化曲線，曲線能夠直觀地顯示振蕩體系顏色的變化，解決了振蕩實驗的實驗顏色變化終點難以捕捉和計時不方便的問題。

一、實驗

1.實驗器料與藥品

（1）實驗器材

電子天平（梅特勒一托利多儀器（上海）有限公司），智能手機（華為FIG-ALOO），筆記本電腦，燒杯，量筒，LED燈，自制“暗箱”。

（2）實驗藥品

所有藥品均為分析純。碘酸鉀、丙二酸、硫酸錳（MnSO4·H2O）、可溶性淀粉、30%過氧化氫、濃硫酸。

2.溶液的配制

溶液A：將97.OmL 30%過氧化氫溶液加水稀釋至250mL;溶液B：將2.61g丙二酸和0.76g硫酸錳及0.10g可溶性淀粉溶解稀釋至250mL;溶液C：根據(jù)表1用硫酸調(diào)節(jié)氫離子濃度，保持逐級遞增0.06mol/L，形成氫離子濃度不同的8種濃度為0.20mol/L碘酸鉀溶液。

3.實驗過程

在手機“軟件市場”搜索“傳感器套件：phyphox”（3.3M，免費）下載安裝。啟動軟件，點擊“Light”菜單調(diào)用手機內(nèi)置光線傳感器，點開手機右側(cè)功能選項卡“Allow remote access”菜單方框中打勾激活數(shù)據(jù)共享功能，電腦瀏覽器菜單欄中輸入手機屏幕下方彈出的地址使二者建立連接，實現(xiàn)電腦上控制手機軟件及觀察曲線變化和保存實驗數(shù)據(jù)，“Time Run”菜單打勾設(shè)延時5s，持續(xù)記錄時間設(shè)為500s，也可根據(jù)需要設(shè)置。

搭建圖1所示的實驗裝置，在自制“暗箱”頂部固定一個LED燈，通電點亮預(yù)熱5min。關(guān)閉手機屏幕“自動亮度模式”并調(diào)至適宜亮度置于LED燈正下方，把小燒杯放到手機的光線傳感器正上方。運行軟件，觀察到曲線呈穩(wěn)定的水平直線即可開始實驗。加入20mL溶液A、20mL溶液B，在電腦點擊“開始”按鈕運行程序，立即加入20mLCl溶液混合，體系氫離子濃度為原來的1/3即0.02mol/L，攪拌均勻關(guān)閉暗箱，在電腦觀察曲線變化，待曲線下降到最低點不再變化時停止實驗，點開電腦右側(cè)更多功能選項卡“Export Data”菜單以“Excel”的形式導(dǎo)出“時間-光強度”數(shù)據(jù)存入電腦待用，重復(fù)實驗兩次。按上述方法，測其余7組不同氫離子濃度時間與光強度變化的數(shù)據(jù)。

二、實驗結(jié)果與分析

將所得實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入“Origin2017”以反應(yīng)時間為橫坐標(biāo)，光線強度為縱坐標(biāo)繪制“時間-光強度”變化曲線如表2（表中氫離子濃度為三種溶液等體積混合后濃度）。利用“Origin”自帶的“數(shù)據(jù)讀取器”讀取相鄰兩個峰最高點的時間差計算出振蕩周期，表3為振蕩次數(shù)和各階段持續(xù)時間（均為三次實驗平均值）。

通過分析表2和表3可以得出：不同氫離子濃度振蕩體系周期變化、周期穩(wěn)定性及振蕩持續(xù)總時間不相同。氫離子濃度為0.02mol/L體系現(xiàn)象不明顯，氫離子濃度為0.04mol/L體系振蕩持續(xù)總時間最長，振蕩次數(shù)最多;氫離子濃度為0.06、0.08mol/L的體系振蕩持續(xù)總時間較長。氫離子濃度為0.16mol/L的持續(xù)總時間最短，振蕩次數(shù)最少。氫離子濃度從0.04mol/L起，隨著氫離子濃度的增大，周期和藍(lán)色持續(xù)時間變長，振蕩次數(shù)和持續(xù)總時間減少。在同一氫離子濃度體系中，隨著反應(yīng)的進行，周期和藍(lán)色持續(xù)時間變長，振蕩結(jié)束時曲線下降到最低點，圖2代表振蕩過程中“無色一琥珀色一藍(lán)色”的顏色交替變化過程。

振蕩過程實際上是碘元素發(fā)生歧化反應(yīng)的過程，過氧化氫既做氧化劑又做還原劑。一定濃度氫離子，改變碘酸根離子的氧化性，主要存在以下反應(yīng)：

曲線變化與溶液顏色變化一一對應(yīng)，溶液混合初碘離子濃度較低，二價錳離子被氧化成三價錳離子且濃度逐漸增大（1）-（2），體系顏色由無色變?yōu)殓晟?，曲線從最高點開始下降（圖3A→B段）。隨著反應(yīng)進行碘離子濃度增大，碘酸根與碘離子反應(yīng)產(chǎn)生碘單質(zhì)不斷積累和淀粉反應(yīng)使體系成藍(lán)色（3），曲線迅速下降到最低點（圖3B→C段），藍(lán)色持續(xù)時間為（圖3C→D段），碘單質(zhì)與丙二酸反應(yīng)生成碘代丙二酸，碘單質(zhì)濃度降低，藍(lán)色褪去體系變?yōu)闊o色（4），曲線迅速上升（圖3D→E段），體系為無色時曲線達到最高點（圖3E點）。三價錳離子具有較強的氧化性，碘代丙二酸被氧化成甲酸，二氧化碳和碘離子（5），同時三價錳離子被還原成二價錳離子，完成振蕩周期（圖3A→E段和F→G段）。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的次碘酸具有自催化作用，下一個振蕩反應(yīng)又開始。隨著氫離子濃度增大碘酸根的氧化性增強，產(chǎn)生的碘單質(zhì)增多，丙二酸消耗碘所需時間變長，藍(lán)色持續(xù)時間變長。在同一氫離子體系中，隨著反應(yīng)進行產(chǎn)生的碘單質(zhì)不斷積累，丙二酸濃度降低，藍(lán)色持續(xù)時間變長。最終因大量的碘單質(zhì)不斷積累不能被丙二酸消耗完體系成深藍(lán)色，顏色振蕩停止。

實驗中應(yīng)注意，筆記本電腦和手機必須連接同一個無線局域網(wǎng)，LED燈的亮度800-1400Lx為宜;軟件設(shè)置延時可以減少操作對實驗的干擾，延時設(shè)為5s即點擊“開始”5s后開始采集記錄數(shù)據(jù)，可充分利用延時功能減少實驗干擾。實驗廢液中有大量碘單質(zhì)應(yīng)妥善處理回收利用，減少環(huán)境污染。

三、結(jié)論

實驗通過“Phyphox”軟件調(diào)用智能手機內(nèi)置光線傳感器把光信號的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的變化，將實驗現(xiàn)象變化動態(tài)過程以曲線形式直觀清晰的表達出來，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和圖像相結(jié)合，最終將圖像呈現(xiàn)在電腦屏幕上。手機內(nèi)置傳感器結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用程序能快速地把物理量變化精確的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號變化，并能自動采集、處理加工傳輸，且數(shù)據(jù)的變化與實驗現(xiàn)象變化和過程同步。在實驗教學(xué)中充分借助智能手機和相應(yīng)軟件調(diào)用手機自帶的傳感器組織實驗教學(xué)、記錄學(xué)生實驗數(shù)據(jù)與過程，構(gòu)建新型實驗教學(xué)模式。結(jié)合時下前沿科技，在實驗教學(xué)時采用多種傳感器對反應(yīng)體系進行測量，從多個角度進行多因素探究。以智能手機實驗作為起點將實驗與人工智能、大數(shù)據(jù)相結(jié)合讓實驗教學(xué)數(shù)字化，現(xiàn)象和過程可視化。