基于數(shù)字化實驗的“離子反應(yīng)”探究

楊香濤 于琴 耿承勝

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摘要：利用pH傳感器，對強酸、強堿分別與cH3COONH4溶液反應(yīng)前后溶液pH的變化進行探究，得到了不同實驗條件下pH隨時間變化的關(guān)系曲線圖，同時根據(jù)曲線圖分析得出了“在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)，如果有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發(fā)生了反應(yīng)”這一結(jié)論，并給出了本實驗的幾點啟示。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;離子反應(yīng);pH傳感器;實驗探究

文章編號：1008-0546（2019）05-0083-04

中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.026

一、問題提出

蘇教版教材《化學(xué)1》專題2第二單元“離子反應(yīng)”（教材第55頁）一節(jié)中對離子反應(yīng)有這樣一段描述“電解質(zhì)在水溶液中的反應(yīng)本質(zhì)上是離子之間的反應(yīng)。當(dāng)離子間能結(jié)合生成難溶物質(zhì)、難電離物質(zhì)及易揮發(fā)物質(zhì)時，反應(yīng)就能進行?！币话愣?，有難溶物質(zhì)（沉淀）、易揮發(fā)性物質(zhì)（氣體）或溶液有明顯顏色變化的反應(yīng)，我們可以通過相關(guān)實驗現(xiàn)象來確定反應(yīng)的發(fā)生，但是對于有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等）且無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，我們則很難確定該類反應(yīng)能否發(fā)生。為此，我們嘗試用pH傳感器來測定強酸、強堿分別與等體積的去離子水、CH3COONH4溶液混合前后溶液的pH，并通過分析溶液的pH隨時間變化的曲線圖得出如下結(jié)論——在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)，如果有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發(fā)生了反應(yīng)。

三、實驗探究

1.實驗用品

pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、50mL注射器、磁力攪拌器、燒杯、50mL量筒、膠頭滴管、洗瓶、100mL容量瓶、電子天平、濾紙等。

2.實驗藥品

0.100mol·L^-1鹽酸、0.100mol·L^-1NaOH溶液、0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液、去離子水等。

3.實驗步驟

（3）按圖1連接好實驗裝置，將數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，并進行調(diào)試（數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為1s測定10個數(shù)據(jù)，測定時間為80s），向燒杯1中加入50mL 0.100mol·L^-1鹽酸，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯1的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL去離子水，用pH傳感器測定混合前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖2所示）。

（4）向燒杯2中加50mL 0.100mol·L^-1鹽酸，同樣用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯2的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL 0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH傳感器測定反應(yīng)前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖3所示）。

實驗二NaOH溶液與CH3COONHa溶液反應(yīng)前后溶液的pH變化探究

（1）準(zhǔn)確配制0.100mol·L^-1NaOH溶液和0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液各100mL備用。

（2）首先標(biāo)定pH傳感器，然后用pH傳感器分別測定0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液的pH和去離子水的pH（如表1所示）。

（3）按圖1連接好實驗裝置，將數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，并進行調(diào)試（數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為1s測定10個數(shù)據(jù)，測定時間為80s），向燒杯3中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯3的溶液中，邊攪拌邊滴加50mL去離子水，用pH傳感器測定混合前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖4所示）。

（4）向燒杯4中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯4的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH傳感器測定反應(yīng)前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖5所示）。

綜上所述，根據(jù)強酸、強堿分別與CH3COONH4溶液反應(yīng)前后溶液的pH隨時間變化的曲線圖可知，在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)，如果有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發(fā)生了反應(yīng)。

五、實驗啟示

本實驗借助數(shù)字化傳感技術(shù)的直觀演示使學(xué)生感受到傳統(tǒng)實驗不能觀察到的實驗現(xiàn)象，有利于學(xué)生理解離子反應(yīng)發(fā)生的條件，達到了快速突破教學(xué)難點、優(yōu)化教學(xué)過程及提高教學(xué)效率的目的。同時通過本實驗的探究可以看出，數(shù)字化實驗對中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)具有諸多啟示作用。

1.數(shù)字化實驗增強了實驗的直觀性和趣味性

數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)的實驗相比，因其操作相對簡單，實驗結(jié)果通常以動態(tài)的曲線圖呈現(xiàn)于電腦的屏幕上，有較強的可視性，同時可以引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。所以說，數(shù)字化實驗更具有直觀性和趣味性，能夠觸動學(xué)生的探究欲望，數(shù)字化傳感技術(shù)實驗的引入可以通過計算機直觀地觀察到實驗數(shù)據(jù)變化過程，讓學(xué)生更加容易理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和過程。

2.數(shù)字化實驗有助于學(xué)生化學(xué)信息素養(yǎng)的培養(yǎng)

“2019年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測試（選修科目）說明化學(xué)科”明確要求：能夠通過對自然界、生產(chǎn)、生活和科學(xué)實驗中化學(xué)現(xiàn)象，以及相關(guān)模型、數(shù)據(jù)和圖形等的觀察，獲取有關(guān)的感性知識，并運用分析、比較、概括、歸納、推理等方法對所獲取的信息進行初步加工和應(yīng)用。從上述江蘇高考考查要求可以看出，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)信息素養(yǎng)，尤其是培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)實驗中獲取信息的能力是高考考查的重要方面。本實驗就是在數(shù)字化傳感技術(shù)的幫助下，讓學(xué)生結(jié)合實驗所得曲線圖中的數(shù)據(jù)這一信息，主動運用分析、比較、概括、歸納等方法進行加工和理解，并運用所獲取的信息分析解決相關(guān)化學(xué)問題，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)信息素養(yǎng)，切合了江蘇高考的要求，為學(xué)生化學(xué)信息素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了一條全新的途徑。

3.數(shù)字化實驗有助于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

教育部頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了高中學(xué)生應(yīng)該具備的化學(xué)核心素養(yǎng)有“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實驗探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”等五個方面，數(shù)字化實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、實驗探究與創(chuàng)新意識等方面的能力與素養(yǎng)。

如對“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的培養(yǎng)，我們可以通過上述數(shù)字化實驗得到關(guān)于“離子反應(yīng)”中相關(guān)溶液的pH隨時間變化的曲線圖，為學(xué)生證實溶液中確實有離子發(fā)生反應(yīng)提供了證據(jù)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)意識，而且還讓學(xué)生能在上述證據(jù)的基礎(chǔ)上提出可能的假設(shè)——“在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)，如果有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發(fā)生了反應(yīng)。”，最后學(xué)生通過對上述證據(jù)的分析推理，證實給出假設(shè)的正確性，同時幫助學(xué)生通過分析、推理的方法認(rèn)識離子反應(yīng)的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，從而揭示離子反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。

再如對“實驗探究與創(chuàng)新意識”的培養(yǎng)，我們可以通過上述數(shù)字化實驗幫助學(xué)生建立科學(xué)探究的一般思路和方法：首先，認(rèn)識科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動;接著引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題：在溶液中進行的化學(xué)反應(yīng)，如果有難電離物質(zhì)生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），如何確定離子之間發(fā)生了反應(yīng);然后，要求學(xué)生能從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計探究方案，進行實驗探究;最后引導(dǎo)學(xué)生不斷地反思自己的探究過程，積極發(fā)現(xiàn)探究過程中的不足，并不斷修正自己的錯誤，最終形成科學(xué)的探究方案。

當(dāng)然，數(shù)字化實驗較傳統(tǒng)的實驗更能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、信息的提取及加工的能力、證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力、實驗探究與創(chuàng)新能力等等，為我們中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)提供了一種新穎的教學(xué)方法與手段。