弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡的實(shí)驗(yàn)探究新設(shè)計(jì)

陳云 林軍

摘要： 依據(jù)弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡的原理，運(yùn)用LED燈、有源一體蜂鳴機(jī)、有關(guān)玻璃儀器以及手持技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用LED燈和有源一體蜂鳴機(jī)設(shè)計(jì)溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，利用CO2傳感器和pH傳感器探究碳酸鈣與醋酸、鹽酸反應(yīng)，從溶液pH、 CO2濃度的變化速率和平衡移動三個角度同時說明醋酸溶于水后CH3COOH分子部分電離出CH3COO-和H+， CH3COOH在水溶液中的電離過程是一個可逆過程，醋酸溶于水后存在電離平衡。

關(guān)鍵詞： 弱電解質(zhì)溶液; 電離平衡; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2019）7006804中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》專題3“溶液中的離子反應(yīng)”第一單元“弱電解質(zhì)的電離平衡”中設(shè)計(jì)了如下的活動與探究： （1）測量物質(zhì)的量濃度均為0.10mol/L的醋酸和鹽酸的pH。用pH試紙分別測定溶液的pH，然后與標(biāo)準(zhǔn)比色卡比較，觀察發(fā)現(xiàn)同濃度的醋酸和鹽酸，醋酸的pH大于鹽酸;（2）在兩只錐形瓶中分別加入等體積、物質(zhì)的量濃度均為1mol/L的醋酸和鹽酸，在兩個氣球中分別加入經(jīng)砂紙打磨過的表面積相同的鎂條，然后將氣球套在錐形瓶口，同時將氣球中的鎂條送入錐形瓶中，觀察、比較氣球鼓起的快慢等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明套在鹽酸與鎂條反應(yīng)的錐形瓶口的氣球鼓起較快，最終與醋酸的氣球鼓起大小相同。

學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析過程中可能會有以下疑惑： 除了pH和反應(yīng)速率比較，是否有其他實(shí)驗(yàn)可以證明醋酸在水溶液中的電離情況呢？氫離子濃度不同，溶液的pH必然不同，與鎂條反應(yīng)速率也必然不同，這些都是可以直接推測出來的現(xiàn)象，是否有一些值得學(xué)生深度思考的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢？如何理解醋酸在水溶液中是部分電離，即醋酸的電離是一個可逆的過程呢？是否可以用實(shí)驗(yàn)證明？

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般利用瓶瓶罐罐探究，可以從宏觀角度幫助學(xué)生理解一些問題，但是往往存在一些不足。新課程標(biāo)準(zhǔn)鼓勵教師開發(fā)利用新技術(shù)、新方法輔助教學(xué)，進(jìn)而幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)過程中的疑難性問題。

2 弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡的實(shí)驗(yàn)探究

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

醋酸是一種弱電解質(zhì)，溶于水后，在水分子的作用下，CH3COOH分子電離成H+和CH3COO-;同時，一部分CH3COO-和H+又結(jié)合成CH3COOH分子。因此，CH3COOH在水溶液中的電離過程是一個可逆過程。因此，醋酸在水溶液中存在電離平衡，其電離過程可表示為： CH3COOHCH3COO-+H+。

本實(shí)驗(yàn)從兩個角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析醋酸在水溶液中存在電離平衡：

（1） 為驗(yàn)證相同濃度的醋酸、鹽酸的電離程度不同影響溶液中離子的濃度，設(shè)計(jì)溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，通過LED燈的明亮程度和個數(shù)以及有源一體蜂鳴機(jī)的聲音大小證明離子濃度不同。

（2） 為驗(yàn)證醋酸在水溶液中的電離是一個可逆的過程，設(shè)計(jì)利用pH傳感器和CO2傳感器，測定在一個密閉容器中，碳酸鈣分別與醋酸、鹽酸反應(yīng)過程中CO2濃度變化以及溶液中氫離子濃度變化。通過真實(shí)數(shù)據(jù)清晰地從宏觀和微觀兩個角度作具體說明。

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)儀器： 計(jì)算機(jī)、Logger Pro 3（軟件）、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、CO2傳感器、78磁力加熱攪拌器（江蘇六鑫科教儀器設(shè)備有限公司）、天平、免焊式電路板、9V碳性電池、LED燈、有源一體蜂鳴機(jī)、導(dǎo)線、鐵絲、滴管、磁力攪拌子、三頸燒瓶、鐵夾、50mL燒杯實(shí)驗(yàn)藥品： 碳酸鈣、0.05mol/L CH3COOH溶液、0.05mol/L HCl溶液、0.1mol/L CH3COOH溶液、0.1mol/L HCl溶液

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置及操作要點(diǎn)

（1） 溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)裝置： 實(shí)驗(yàn)以白色展板為背景，用免焊式電路板將9V碳性電池、LED燈、有源一體蜂鳴機(jī)連接并與溶液串聯(lián)，將導(dǎo)線穿過滴管制作成電極，比較溶液的導(dǎo)電性強(qiáng)弱。當(dāng)有電流通過時，LED燈會亮起來，有源一體蜂鳴機(jī)會發(fā)出聲音，若電流過小則沒有聲音。電路中的電流大小不同，觀察到LED燈亮的數(shù)目和明亮程度不同，有源一體蜂鳴機(jī)發(fā)出聲音的大小不同，以此來判斷電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

（2） 碳酸鈣與鹽酸、醋酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中添加固體裝置的制作： 將橡皮塞依據(jù)導(dǎo)管外徑大小打孔，注意打到橡皮塞的一半處，不打通。將玻璃管插入孔中，再將鐵絲穿過玻璃管?？煞Q量一定質(zhì)量的固體置于紙槽中，再倒入玻璃管中，用保鮮膜密封，注意不能將保鮮膜弄破。實(shí)驗(yàn)開始時，用鐵絲戳破保鮮膜，固體進(jìn)入溶液發(fā)生反應(yīng)。

三頸燒瓶三個口分別插入添加固體裝置、二氧化碳傳感器以及pH傳感器，瓶內(nèi)放入一顆磁力攪拌子，在三頸燒瓶下方放置磁力攪拌器。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

2.4.1 實(shí)驗(yàn)探究1

分別取25mL 0.1mol/L HCl溶液和25mL 0.1mol/L CH3COOH溶液于兩只50mL燒杯中，先將電極伸入HCl溶液中，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;取出電極，用蒸餾水沖洗干凈并擦干，再將電極伸入CH3COOH溶液中，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)探究2

用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)與數(shù)字采集器連接起來，將pH傳感器、CO2傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上。取50mL 0.05mol/L HCl溶液于三頸燒瓶中，放入磁力攪拌子，用天平稱量0.5g的碳酸鈣固體粉末（過量）裝入添加固體裝置中，用保鮮膜封好，并按照圖2搭好實(shí)驗(yàn)裝置。打開磁力攪拌器，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，再將添加固體裝置的保鮮膜戳破，使碳酸鈣固體全部加入到HCl溶液中。觀察曲線變化情況。取50mL 0.05mol/L CH3COOH溶液重復(fù)以上操作。

數(shù)據(jù)圖像縱軸選擇pH和CO2濃度（ppm），橫軸選擇時間（s），開啟儀器采集數(shù)據(jù)，觀察溶液pH和CO2濃度隨時間變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

① 0.05mol/L HCl溶液（pH）

② 0.05mol/L CH3COOH溶液（pH）

③ 0.05mol/L HCl溶液（CO2）

④ 0.05mol/L CH3COOH溶液（CO2）

2.5 結(jié)果與討論

（1） 實(shí)驗(yàn)探究1觀察到，電極伸入醋酸溶液中LED燈部分明亮，有源一體蜂鳴機(jī)不響;電極伸入鹽酸溶液中LED燈明亮的個數(shù)比醋酸多，且有源一體蜂鳴機(jī)響。說明相同濃度的鹽酸與醋酸溶液，HCl電離出的H+濃度大于醋酸電離出的H+濃度，HCl的電離程度大于CH3COOH。已知HCl是完全電離，則醋酸是部分電離出H+和CH3COO-。

（2） 由圖3曲線①和②初始pH數(shù)值可以看出0.05mol/L CH3COOH溶液的pH大于0.05mol/L HCl溶液，依據(jù)HCl完全電離出H+，說明CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-。

由圖4曲線③和④可以看出隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉容器中CO2的濃度逐漸上升，密閉容器中碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)生成的CO2濃度上升速率大于醋酸溶液。濃度是化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素之一，溶液中H+濃度越大，與碳酸鈣反應(yīng)速率越快。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明醋酸溶液中H+濃度小于鹽酸中H+濃度，進(jìn)一步證明了CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-。

由圖3曲線①和圖4曲線③可以看出，隨著碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中H+濃度逐漸減小，生成CO2速率逐漸降低，當(dāng)H+反應(yīng)完全，密閉容器中CO2濃度基本不再發(fā)生變化。說明H+消耗完全后，不再生成CO2。

由圖3曲線②和圖4曲線④可以看出，碳酸鈣與醋酸溶液反應(yīng)，初始一段時間CO2濃度上升較快。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中H+濃度減小且基本不再發(fā)生變化，而CO2濃度雖然上升較慢，但是仍然在不斷生成。反應(yīng)初始時速率較快主要是由于初始時與碳酸鈣反應(yīng)的是醋酸溶液中原有的H+;隨著碳酸鈣與醋酸反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)速率逐漸降低，是由于溶液中H+濃度逐漸減小;經(jīng)過一段時間后，溶液中H+濃度不再發(fā)生變化，而CO2仍然在持續(xù)產(chǎn)生，依據(jù)勒夏特列原理，溶液中H+逐漸減少，平衡向抑制H+逐漸減少的方向移動，即平衡向CH3COOH分子電離出H+的方向移動，不斷補(bǔ)充由于H+消耗而減小的濃度，從而保證反應(yīng)不斷持續(xù)進(jìn)行，且pH基本保持不變。從平衡移動的角度說明CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-，并且存在電離平衡。

2.6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)借助LED燈和有源一體蜂鳴機(jī)來判斷溶液導(dǎo)電性的強(qiáng)弱;利用有關(guān)玻璃儀器以及手持技術(shù)，通過觀察在密閉容器內(nèi)CO2濃度、溶液pH隨著時間的變化曲線，從pH、 CO2濃度的變化速率和平衡移動三個角度同時說明醋酸溶于水后CH3COOH分子部分電離出CH3COO-和H+，即醋酸溶于水后存在電離平衡。

3 反思與啟示

在具體的教學(xué)實(shí)踐中，很多概念和規(guī)律都很抽象，常規(guī)教學(xué)手段有時很難突破教學(xué)難點(diǎn)。弱電解質(zhì)溶于水存在電離平衡是化學(xué)反應(yīng)原理中較為抽象的知識點(diǎn)之一。有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、新技術(shù)的運(yùn)用不僅可以活躍課堂氣氛，還能化抽象為直觀，易使學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容，突破教學(xué)難點(diǎn)，從而優(yōu)化課堂教學(xué)效果。

溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，利用生活中可以找到的物品來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，將化學(xué)和手工制作結(jié)合在一起，無形中體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的生活化，拉近了學(xué)生與實(shí)驗(yàn)之間的距離，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣[1]。借助LED燈和有源一體蜂鳴機(jī)來判斷電解質(zhì)導(dǎo)電性的強(qiáng)弱，既增加了趣味性，又體現(xiàn)了將抽象知識具體化的思想，便于學(xué)生記憶和掌握。溶液導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)應(yīng)用在初、高中化學(xué)教學(xué)中，既能作為演示實(shí)驗(yàn)也能作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用雙傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，將無法用肉眼清晰觀察到的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可視化的數(shù)據(jù)展示出來，以表征溶液中微粒的濃度變化，進(jìn)而研究醋酸在水中的電離過程，該方法更直觀、更精確、更數(shù)字化。圖像分析過程中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以同時從三個不同角度驗(yàn)證弱電解質(zhì)的電離平衡，充分體現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)涵及其價值。

本實(shí)驗(yàn)兩個裝置不僅可以用于弱電解質(zhì)的電離平衡的教學(xué)中，還可以運(yùn)用于其他方面。如溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)裝置還可以設(shè)計(jì)成電解質(zhì)與非電解質(zhì)判斷實(shí)驗(yàn)、氨氣溶于水的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)等;如數(shù)字化實(shí)驗(yàn)碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)可以改成化學(xué)反應(yīng)速率模塊的實(shí)驗(yàn)，從溶液中反應(yīng)物H+濃度的下降速率和密閉容器中CO2濃度的上升速率兩個角度說明化學(xué)反應(yīng)速率的概念。一個裝置多種用途，充分體現(xiàn)了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的功能性價值。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有以下幾方面可作進(jìn)一步設(shè)想。

（1） 真實(shí)情境實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)?；瘜W(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)中不斷提到教師在選擇教學(xué)素材時最好選用與生產(chǎn)、生活相關(guān)的案例進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)弱電解質(zhì)的電離平衡時，在素材選擇上陷入了困境，很難找到一個學(xué)生熟悉的生活中的問題進(jìn)行探究。是否可以從生活、生產(chǎn)實(shí)踐中找一個真實(shí)案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究呢？

（2） 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的兩個實(shí)驗(yàn)在我?；瘜W(xué)組教師教學(xué)中引起了較好的反響，充分說明實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后能很好地幫助教師在突破教學(xué)難點(diǎn)時起到積極的作用，意義不再是改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置本身，而是其應(yīng)用價值。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)除了本文中提到的相關(guān)應(yīng)用，是否還可以運(yùn)用于其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)中呢？

（3） 平衡移動的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中平衡移動理論是建立在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡的知識基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的[2]，但是移動的方向是CH3COOH電離出H+和CH3COO-的方向，逆向的設(shè)計(jì)呢？能否再作進(jìn)一步改進(jìn)？因此后續(xù)工作還有很多，需要不斷探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬善恒， 夏建華， 姚如富. 運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究氯水中化學(xué)平衡的存在[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （7）： 71～73.

[2]李妍. 淺談手持技術(shù)在“弱電解質(zhì)的電離平衡”教學(xué)中的功能[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2016， （1）： 69.