電導(dǎo)率傳感器在電解質(zhì)相關(guān)問(wèn)題研究中的系列實(shí)驗(yàn)

鄭曉慧

摘要：圍繞高中階段有關(guān)電解質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)，利用電導(dǎo)率傳感器開(kāi)展系列的定量實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)電解質(zhì)、非電解質(zhì)、強(qiáng)電解質(zhì)、弱電解質(zhì)有更清晰的認(rèn)知，對(duì)弱電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的濃度依賴(lài)性以及同類(lèi)電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行探究，建立學(xué)生定量分析的思維模式，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神。

關(guān)鍵詞：電解質(zhì)；電導(dǎo)率傳感器；定量分析

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12x-0084-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.021

一、問(wèn)題的提出

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)的重要方法和途徑，新課標(biāo)[1]要求在內(nèi)容上精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)學(xué)科的重要價(jià)值。在現(xiàn)行人教版[2-3]教材中，“必修第一冊(cè)”以及《化學(xué)反應(yīng)原理》課本中均涉及電解質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，在傳統(tǒng)的教學(xué)中，經(jīng)常使用將電解質(zhì)溶液連入電路，通過(guò)觀察小燈泡的亮暗以及電流表的指針偏轉(zhuǎn)的方法來(lái)說(shuō)明電解質(zhì)與非電解質(zhì)溶液中粒子的存在形式以及強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離區(qū)別，這種方法雖然較為直觀，但只能進(jìn)行一些定性的判斷，無(wú)法做到定量分析。

數(shù)字化手持技術(shù)由于其便攜、直觀、實(shí)時(shí)、定量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)，特別是對(duì)于電解質(zhì)相關(guān)問(wèn)題的研究。白濤等研究者采用電導(dǎo)率傳感器解決“電離平衡”教學(xué)中內(nèi)容抽象、教師難講、學(xué)生難理解的問(wèn)題，使微觀過(guò)程宏觀化。[4]鄧玉華、杜麗君等研究者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)定無(wú)限稀釋冰醋酸過(guò)程中的電導(dǎo)率和pH的變化，從微觀上深入解析弱電解質(zhì)的電離特征，突破越稀越電離的認(rèn)識(shí)邊界。[5]顧仲良等研究者設(shè)計(jì)并開(kāi)展基于數(shù)字化傳感技術(shù)多方位探究電離平衡的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生測(cè)定離子濃度，分析電離程度，推導(dǎo)電離平衡的稀釋定律、同離子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“宏觀一微觀一符號(hào)”三重表征。[6]目前，利用電導(dǎo)率傳感器圍繞電解質(zhì)相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了非常出色的工作，但是均未對(duì)弱電解質(zhì)電離平衡常數(shù)在稀釋過(guò)程中保持恒定這一事實(shí)進(jìn)行推導(dǎo)，也未對(duì)相同類(lèi)型電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行探究，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)《物理化學(xué)》中電解質(zhì)溶液的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)生興趣并進(jìn)行深入挖掘。

在電解質(zhì)相關(guān)問(wèn)題研究中，應(yīng)用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行的一系列定量實(shí)驗(yàn)，使電解質(zhì)以及弱電解質(zhì)電離平衡等問(wèn)題更加直觀化，便于學(xué)生理解。同時(shí)，數(shù)字化的教學(xué)方式，讓學(xué)生對(duì)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)儀器有更多的了解，培養(yǎng)學(xué)生在探索未知問(wèn)題的過(guò)程中應(yīng)用與時(shí)俱進(jìn)的研究手段。第三點(diǎn)，也是最重要的一點(diǎn)，電導(dǎo)率傳感器能夠使學(xué)生實(shí)現(xiàn)從“定性判斷”到“定量分析”的思維轉(zhuǎn)變，結(jié)合一系列的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的求知欲望與學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生的思考與探索，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)，使新一輪基礎(chǔ)教育改革的思想和理念得以進(jìn)一步體現(xiàn)。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1．實(shí)驗(yàn)原理

電導(dǎo)率是表示物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的一種測(cè)量值，用希臘字母σ來(lái)表示。當(dāng)施加電壓于導(dǎo)體或者電解質(zhì)溶液的兩端時(shí)，其電流載體（往往稱(chēng)為載流子）會(huì)呈現(xiàn)出朝某方向流動(dòng)的行為，因而產(chǎn)生電流。溶液中載流子一般是離子，利用電導(dǎo)率傳感器測(cè)定一定條件下溶液的導(dǎo)電性，可以在一定程度上反應(yīng)溶液中的離子濃度、種類(lèi)等情況。

2．儀器及藥品

儀器：朗威DISLab LW-C802電導(dǎo)率傳感器，朗威DISLab LW-D801數(shù)據(jù)采集器，朗威DISLab LW-A801有線接口，DJS-IE鉑黑電導(dǎo)電極，燒杯，100 mL容量瓶，玻璃棒，膠頭滴管，藥匙，分析天平。

藥品：冰醋酸，濃鹽酸，氯化鈉，氯化鉀，無(wú)水乙醇。

3．實(shí)驗(yàn)操作與步驟

分別配制0.1 mol/L NaCl溶液，0.1 mol/L KCl溶液，0.1 mol/L鹽酸溶液，0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L醋酸溶液，根據(jù)圖1組裝實(shí)驗(yàn)裝置，在小燒杯中盛裝待測(cè)液，插入電導(dǎo)率傳感器，待其讀數(shù)穩(wěn)定后讀取測(cè)量值，每個(gè)樣品測(cè)量三次，并取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)于2022年07月07日上午進(jìn)行，本地室內(nèi)氣溫30。C，大氣濕度60%，氣壓99.4 kPa。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1．分別測(cè)定蒸餾水、無(wú)水乙醇、0.1 mol/L鹽酸溶液以及0.1 mol/L醋酸溶液的電導(dǎo)率。

本實(shí)驗(yàn)適用于電解質(zhì)相關(guān)概念模塊，有助于學(xué)生更好地理解電解質(zhì)、非電解質(zhì)、強(qiáng)電解質(zhì)與弱電解質(zhì)等相關(guān)概念。通過(guò)對(duì)比表1中相同溫度下無(wú)水乙醇、蒸餾水以及0.1 mol/L鹽酸溶液的電導(dǎo)率差別，說(shuō)明三者體系中物質(zhì)存在形式的差異。由于電導(dǎo)率傳感器非常靈敏，因此做了空白組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，常溫下，無(wú)水乙醇的電導(dǎo)率幾乎為零，說(shuō)明無(wú)水乙醇中幾乎不存在自由移動(dòng)的離子，主要以乙醇分子的形式存在。而0.1 mol/L鹽酸溶液的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)水乙醇，說(shuō)明鹽酸溶液中HCl不是以分子的形式存在，而是電離出了H+與cr，自由移動(dòng)的H+和Cl-（實(shí)際上是水合H+與水合cr）使溶液的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)比無(wú)水乙醇與鹽酸溶液電導(dǎo)率的區(qū)別，使學(xué)生明確電解質(zhì)與非電解質(zhì)的概念。通過(guò)對(duì)比相同溫度下同等濃度鹽酸溶液與醋酸溶液的電導(dǎo)率數(shù)值，可反映出不同電解質(zhì)在水溶液中的電離能力存在差異，即完全電離與部分電離，對(duì)比相同溫度下0.1 mol/L醋酸溶液、蒸餾水的電導(dǎo)率，說(shuō)明不同弱電解質(zhì)的電離程度也存在差別，進(jìn)而引出電離平衡常數(shù)的概念。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中比較值得注意的是蒸餾水的電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果。水的電離極其微弱，具有微弱的導(dǎo)電性，而這種微弱的導(dǎo)電性無(wú)法利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出來(lái)，電導(dǎo)率傳感器的使用很好地揭示了水是弱電解質(zhì)這一事實(shí)。25℃時(shí)，水的離子積常數(shù)Kw=lxl0-'4，水中c（H+）=c（OH一）=1X10-7 mol/L，查表得純水的電導(dǎo)率為5.5X10-6S／m[7]，事實(shí)上，水的電導(dǎo)率小于1X10 -4 S/m就認(rèn)為是很純的了，有時(shí)稱(chēng)為“電導(dǎo)水”，若大于這個(gè)數(shù)值，肯定含有某種雜質(zhì)。[7]本實(shí)驗(yàn)中蒸餾水的電導(dǎo)率為0.014 mS/cm，可能是由于實(shí)驗(yàn)溫度高于室溫以及水中溶解極少量二氧化碳或殘存少量雜質(zhì)離子所導(dǎo)致。

2．分別測(cè)定0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L醋酸溶液的電導(dǎo)率。

本實(shí)驗(yàn)適用于弱電解質(zhì)的電離平衡模塊。由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，1.0 mol/L醋酸溶液的電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于0.1 mol/L醋酸溶液電導(dǎo)率的十倍（大約三倍左右），說(shuō)明水的加入促使醋酸分子的電離平衡右移，經(jīng)過(guò)定量計(jì)算，還可以證明電離平衡常數(shù)在稀釋過(guò)程中保持恒定。

在醋酸溶液中，存在醋酸分子的電離平衡，由于水的電離極其微弱，可忽略水的電離，而將溶液的導(dǎo)電性歸因于醋酸分子電離出的H+以及CH3COO（實(shí)際上是水合H+與水合CH3COO），在高中階段，可認(rèn)為溶液某離子所產(chǎn)生的電導(dǎo)率正比于其溶液中的離子濃度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件下的醋酸溶液，忽略水的電離，則有

c（ H+）≈c（CH3COO-）oc σ

即σ= kc（離子）

而醋酸分子電離微弱，資料表明，常溫下0.1 mol/L醋酸溶液的電離度僅約為1.3%，因此醋酸分子的濃度可近似為溶液的表觀濃度。因此對(duì)于不同濃度的醋酸溶液，其電離平衡常數(shù)的比值就近似為電導(dǎo)率的平方除以溶液的表觀濃度的比值，其表達(dá)式如下：

如果依據(jù)以上推導(dǎo)，電導(dǎo)率的平方除以溶液表觀濃度的值應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)。但是在對(duì)實(shí)驗(yàn)中的電導(dǎo)率的平方除以溶液表觀濃度的值對(duì)溶液的表觀濃度作圖后卻發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，電導(dǎo)率的平方除以溶液表觀濃度的值對(duì)溶液的表觀濃度變化呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，但卻不是常數(shù)，而是隨著溶液濃度升高而比值降低。同時(shí)我們也應(yīng)該注意到，在上述電離平衡常數(shù)比值計(jì)算中，0.96距離1也還是存在一些偏差。一方面，溶液濃度的變化影響醋酸分子的電離程度，進(jìn)而導(dǎo)致醋酸分子的濃度與溶液的表觀濃度發(fā)生偏差，同時(shí)，醋酸溶液稀釋到一定程度時(shí)，水的電離就不能忽略；另一方面，H+以及CH3COO-對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)實(shí)際并不相同，進(jìn)而導(dǎo)致曲線隨著溶液濃度升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

3．分別測(cè)定0.1 mol/L鹽酸溶液、0.1 mol/L NaCl溶液以及0.1 mol/L KCl溶液的電導(dǎo)率。

本實(shí)驗(yàn)可作為一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考。在高中生的認(rèn)知里，在溫度等外界條件相同時(shí)，溶液的導(dǎo)電性只與溶液中離子濃度以及離子所帶電荷數(shù)相關(guān)，對(duì)于相同濃度的鹽酸溶液、NaCl溶液以及KCl溶液而言，由于是強(qiáng)電解質(zhì)，三者在水溶液中完全電離，所帶電荷數(shù)也相同，其導(dǎo)電能力應(yīng)該相同，但是從實(shí)驗(yàn)獲得的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)來(lái)看，如表3所示，同等條件下，三者的電導(dǎo)率相差較大且σ（HCl）>σ（KCl）>σ（ NaCl），這說(shuō)明不同離子在水溶液中的導(dǎo)電能力是不同的，進(jìn)而涉及到溶液中離子的電遷移率及其相關(guān)影響因素等若干問(wèn)題。

對(duì)于同等濃度的NaCl溶液和KCl溶液而言，電導(dǎo)率的差異可歸因于Na+和K+不同的電遷移率。在水溶液中，二者均以水合離子的形式存在，在同主族離子中，隨著原子序數(shù)增加，離子半徑逐漸增大，通常會(huì)使其吸附水分子的能力逐漸減弱，導(dǎo)致其水合離子的半徑逐漸減小，因此，K+的水合離子半徑小于Na+的水合離子半徑，在外加電場(chǎng)的水溶液中遷移時(shí)，K+所受阻礙更小，電遷移率更大。同時(shí)我們應(yīng)注意到，同等條件下，0.1 mol/L鹽酸溶液的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等濃度NaCl溶液以及KCl溶液的電導(dǎo)率，這是由于H+特殊的傳導(dǎo)電流方式造成的。在溶液中，離子通過(guò)在電場(chǎng)下的定向移動(dòng)以及在陰陽(yáng)電極的得失電子完成電流的傳導(dǎo)，而H+在溶液中主要依靠一種質(zhì)子傳遞機(jī)理（Grotthuss機(jī)理）傳導(dǎo)電流，離子本身并未長(zhǎng)程移動(dòng)，而是依靠氫鍵在相鄰水分子之間鏈?zhǔn)絺鬟f，如圖3所示，其效果如同H+以很高的速率遷移一樣，因此具有很高的電遷移率[7]。此處向?qū)W生引出電遷移率的概念，引發(fā)學(xué)生更多的思考與探究。實(shí)際上，對(duì)于實(shí)驗(yàn)2中的醋酸溶液，由于H+與CH3COO-的電遷移率相差較大，溶液的電導(dǎo)率主要由H+貢獻(xiàn)，但是由于溶液中c（H+）≈c（CH3COO-），因此不會(huì)對(duì)電離平衡常數(shù)的計(jì)算造成影響。

四、總結(jié)與展望

本文利用電導(dǎo)率傳感器圍繞電解質(zhì)的相關(guān)知識(shí)開(kāi)展了系列定量實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1夯實(shí)基礎(chǔ)，以更加直觀的視角加深學(xué)生對(duì)電解質(zhì)相關(guān)概念的理解；實(shí)驗(yàn)2突破難點(diǎn)，通過(guò)具體的數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證弱電解質(zhì)電離平衡常數(shù)在稀釋過(guò)程中保持恒定，培養(yǎng)學(xué)生的定量思維；實(shí)驗(yàn)3拓展探究，通過(guò)學(xué)生意料之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，秉承由淺人深、由易到難的原則，層層推進(jìn)，逐步深入，既適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，又使學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)得以提升。

筆者認(rèn)為，利用電導(dǎo)率傳感器還可以做出更多的探索：例如利用電導(dǎo)率傳感器探究離子反應(yīng)的條件，探究弱電解質(zhì)電離平衡的影響因素，探究難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡等。這些實(shí)驗(yàn)不僅僅適合教師科研，更適合走進(jìn)課堂，走進(jìn)學(xué)生，讓學(xué)生手腦并用，體驗(yàn)探索的樂(lè)趣，體會(huì)與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段下愈發(fā)迷人的化學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．普通高中教科書(shū)（化學(xué)必修第一冊(cè)）[M]．北京：人民教育出版社，2020．

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心，普通高中教科書(shū)（化學(xué)選擇性必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 白濤．基于手持技術(shù)和多媒體技術(shù)的“電離平衡”教學(xué)研究[J].化學(xué)教育，2010（3）：78-80．

[5]鄧玉華，杜麗君．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)核心素養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”維度的教學(xué)應(yīng)用——以弱電解質(zhì)的教學(xué)為例[J]化學(xué)教育，2019（21）：77-81．

[6] 顧仲良．技術(shù)支持下多方位探究離子濃度的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“弱電解質(zhì)的電離平衡”為例[J]．中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（2）：11-14．

[7] 印永嘉．物理化學(xué)簡(jiǎn)明教程[M]．北京：高等教育出版社，2007．