手持技術(shù)支持的鹽類水解影響因素實(shí)驗(yàn)探究①

李莉莉， 劉藝琳，2， 王雁筱，3

1.西南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715；2.四川省瀘縣第二中學(xué)，四川 瀘州 646106；3.河南省南陽第一中學(xué)，河南 南陽 473000

化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是利用傳感器、 數(shù)據(jù)采集器、 計算機(jī)及相應(yīng)軟件對實(shí)驗(yàn)中各種物理化學(xué)量(如pH值、 溫度、 壓強(qiáng)、 電導(dǎo)率和吸光度等)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和分析，是信息技術(shù)與學(xué)科整合的典型代表，在我國中學(xué)及高等院校化學(xué)教學(xué)中占有極其重要的地位． 化學(xué)概念是從微觀層面界定的，因其涉及的抽象內(nèi)涵不易被直接感知，學(xué)生對概念的認(rèn)識也僅停留在機(jī)械記憶上． 手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以使化學(xué)反應(yīng)過程實(shí)證化、 動態(tài)化、 定量化、 可視化，可作為認(rèn)知工具幫助學(xué)生科學(xué)感知和建構(gòu)抽象的化學(xué)概念，為探索化學(xué)教學(xué)疑難問題提供了一條新途徑． 2018年，王立新等[1]首次提出了基于手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型，從認(rèn)知理論層面分析了手持技術(shù)對學(xué)生概念建構(gòu)的促進(jìn)作用，并據(jù)此開發(fā)了一系列教學(xué)實(shí)例[2-5]，這為教育工作者科學(xué)有效地開展基于手持技術(shù)的信息化概念教學(xué)提供了理論基礎(chǔ)．

此外，開展化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對學(xué)生的探究興趣、 思維技能及數(shù)據(jù)圖象分析能力的培養(yǎng)均會產(chǎn)生積極影響，這與新課標(biāo)對學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求是相契合的． 手持技術(shù)的圖像分析功能與近年來高考真題中頻出的曲線類實(shí)驗(yàn)題相對接，手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芴嵘龑W(xué)生的曲線解讀及指導(dǎo)能力． 在高等師范院校的化學(xué)教學(xué)法實(shí)驗(yàn)中開設(shè)手持技術(shù)相關(guān)課程也極大地提升了師范生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能及信息化教學(xué)研究的能力[6-8]，促進(jìn)了本科師范人才專業(yè)化發(fā)展． 因此，本研究選擇2019年人教版選擇性必修一中“鹽類的水解影響因素”這一內(nèi)容，開發(fā)基于手持技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，為鹽類水解相關(guān)概念的教學(xué)提供案例．

1 研究背景分析

鹽類水解平衡移動是對化學(xué)反應(yīng)平衡移動理論、 電離平衡理論及鹽類水解知識的綜合應(yīng)用，是高中化學(xué)反應(yīng)原理部分的重要內(nèi)容，綜合性較強(qiáng)，理論抽象難懂，僅依靠應(yīng)用勒夏特列原理進(jìn)行遷移推理的教學(xué)方式對學(xué)生的邏輯思維能力要求極高． 2019年人教版高中教材將“影響鹽類水解的主要因素”實(shí)驗(yàn)列為高中階段學(xué)生的必做實(shí)驗(yàn)． 但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，平衡移動所引起的微弱變化很難被捕捉到，利用FeCl3水解后溶液顏色的變化、 pH試紙或指示劑顏色的變化來驗(yàn)證FeCl3水解平衡移動方向都欠缺合理性[9]．

目前，基于手持技術(shù)探究水解平衡移動影響因素的實(shí)驗(yàn)主要集中在利用pH傳感器和色度計監(jiān)測FeCl3水解移動引起的pH值及吸光度變化[10-11]． 但僅由pH值的變化無法解釋“稀釋有利于水解”的論斷，而FeCl3水解后吸光度的變化是由水解和配位反應(yīng)共同作用引起的[12]，因此，通過監(jiān)測pH值及吸光度的變化來判斷FeCl3水解移動方向欠妥． 根據(jù)FeCl3水解反應(yīng)原理，產(chǎn)物Fe(OH)3呈膠體或沉淀，溶液中導(dǎo)電微粒數(shù)發(fā)生改變，繼而會引起電導(dǎo)率的變化[13]，因此聯(lián)用電導(dǎo)率和pH傳感器監(jiān)測FeCl3水解繼而形成膠體的過程，可以從直觀的動態(tài)變化中感知FeCl3水解移動過程，繼而從微觀層面理解水解平衡移動的主要因素，有利于學(xué)生變化平衡觀、 宏微觀和定量觀的構(gòu)建．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

2.1.1 FeCl3的水解平衡原理

FeCl3溶液易水解，改變平衡表達(dá)式Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+中不同物質(zhì)的濃度，促進(jìn)Fe3+的水解，進(jìn)行膠體制備實(shí)驗(yàn)． 該水解平衡的平衡常數(shù)

可溶性Fe3+鹽的水溶液有很多種存在形式． 當(dāng)溶液酸性較強(qiáng)時，F(xiàn)e3+主要以[Fe(H2O)6]3+離子存在，在高自旋狀態(tài)下，光吸收弱，呈現(xiàn)淡紫色． 平常人們所熟悉的黃棕色或紅棕色液體是鐵鹽溶于水后發(fā)生水解作用引起的． pH值在2～3時，水解的趨勢最明顯，溶液顏色為黃棕色，聚合傾向增大，形成聚合度大于2的多聚體，結(jié)構(gòu)與Al2Cl6類似，可表示為：

當(dāng)pH值繼續(xù)升高，溶液由黃棕色逐漸變?yōu)榧t棕色，析出紅棕色膠狀Fe(OH)3． 要探究Fe(OH)3膠體的形成，則需要把pH值的范圍控制在2～3之間．

2.1.2 水解對體系電導(dǎo)率的影響

體系內(nèi)存在的各種微粒之間相互作用，會影響體系的導(dǎo)電能力，電導(dǎo)率也就有了差異． 影響體系電導(dǎo)率的因素有： 可移動離子的濃度、 離子所帶電荷數(shù)、 溫度等． 強(qiáng)電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率隨溶液濃度的增加而增加，如在一定濃度范圍內(nèi)，NaCl溶液電導(dǎo)率隨濃度的變化呈線性關(guān)系． Fe3+易水解，其溶膠膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)可表示為： {[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-． 水解形成的膠體微粒表面積大，容易吸附凝聚其他帶電微粒，從而使體系導(dǎo)電率發(fā)生改變．

2.1.3 實(shí)驗(yàn)試劑濃度的選擇

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[14]及進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eCl3濃度越高，溶液顏色越深，一加熱極易出現(xiàn)大量沉淀，干擾數(shù)據(jù)采集，對電極損傷較大；FeCl3濃度過低，膠體不易出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果不明顯． 因此，本實(shí)驗(yàn)選擇0.02 mol/L的FeCl3溶液進(jìn)行研究． 為避免因滴定試劑濃度過小導(dǎo)致消耗量過大以及滴定時間過長，引起體系中Fe3+濃度改變，繼而影響電導(dǎo)率，本實(shí)驗(yàn)將所有滴定試劑的濃度定為0.1 mol/L．

因此，本研究借助手持技術(shù)的電導(dǎo)率傳感器、 pH傳感器和溫度傳感器，定量地探究溫度、 反應(yīng)物濃度、 外加堿性氧化物和鹽對FeCl3水解平衡移動的影響，摸索制備Fe(OH)3膠體的適宜條件．

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器： 計算機(jī)SPARKvue軟件，PASCO藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集器，PASCO溫度傳感器，PASCO電導(dǎo)率傳感器(10× Conductivity)，PASCO pH傳感器，紅色激光筆，磁力攪拌器，磁子，微型滴定管，電子天平，燒杯(100 mL、 150 mL若干)，漏斗，鐵架臺，濾紙，玻璃棒，膠頭滴管．

試劑： FeCl3·6H2O固體(M=270.30 g/mol，20 ℃水條件下的溶解度為0.92 g/mL)，0.1mol/L NaOH，0.1 mol/L NaHCO3，0.1 mol/L Na2CO3，0.1 mol/L HCl，CaCO3粉末(AR)，CuO粉末(AR)，CaO粉末(AR)．

2.3 儀器校準(zhǔn)及操作方法

2.3.1 儀器的校準(zhǔn)

2.3.1.1 PASCO pH傳感器的校準(zhǔn)

FeCl3水解后，溶液pH值顯酸性． PASCO pH傳感器采用二點(diǎn)校準(zhǔn)，選擇25 ℃下pH=4.00鄰苯二甲酸氫鉀和25 ℃下pH=6.86的磷酸緩沖溶液． 在計算機(jī)SPARKvue軟件“校準(zhǔn)傳感器： 輸入數(shù)值”一欄分別讀出兩個校準(zhǔn)點(diǎn)的傳感器數(shù)值，再填入標(biāo)準(zhǔn)值．

2.3.1.2 PASCO電導(dǎo)率傳感器的校準(zhǔn)

采用一點(diǎn)校準(zhǔn)． 校準(zhǔn)前將電導(dǎo)探頭浸泡在蒸餾水中5～10 min，用1 000 mg NaCl配置成1 L溶液，導(dǎo)電率在25 ℃下為1 990 μS/cm，選擇“1～10 k”檔進(jìn)行讀數(shù)校準(zhǔn)．

2.3.2 儀器的操作方法

按圖1所示將電腦與手持技術(shù)傳感器(根據(jù)探究因素選擇相應(yīng)傳感器： pH傳感器、 溫度傳感器或電導(dǎo)率傳感器)、 藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集器連接，打開電腦上與PASCO手持儀器配套的SPARKvue軟件，點(diǎn)擊連接相應(yīng)測量參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完畢即可開始實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 探究c(Fe3+)對水解平衡的影響

3.1.1 稀釋對水解平衡移動的影響

用蒸餾水分別配置0.4 mol/L NaCl溶液和0.2 mol/L FeCl3溶液，分別稀釋10倍和100倍，測定不同濃度下其電導(dǎo)率和pH值，結(jié)果見表1．

表1 不同濃度下NaCl和FeCl3的電導(dǎo)率和pH值

從表1中pH值一欄可知，由于體系中存在水解平衡，F(xiàn)eCl3溶液呈酸性，稀釋10倍后pH值上升也不足一個單位． 如圖2所示，稀釋會降低溶液的電導(dǎo)率，在低濃度下，NaCl溶液的電導(dǎo)率隨濃度呈線性變化(圖2a)，而FeCl3溶液的電導(dǎo)率不呈線性變化趨勢(圖2b)． 因?yàn)镕eCl3溶液水解形成的Fe(OH)3堿性溶膠帶正電，會吸附體系中帶正電的微粒． 這些帶正電的微粒主要有兩種： 一是沒有變成膠體的Fe3+和與其結(jié)構(gòu)相似的FeO+，體系中只會有部分Fe3+會水解為Fe(OH)3膠體，體系是一個動態(tài)平衡，反應(yīng)有一定的限度；二是Fe3+水解產(chǎn)生的H+． Fe3+的水解導(dǎo)致原體系內(nèi)帶電粒子數(shù)目減少，但并非呈線性關(guān)系地減少，因此電導(dǎo)率下降也呈非線性變化． 由此可見，稀釋促進(jìn)了FeCl3溶液水解平衡向正向移動．

圖2 低濃度下NaCl溶液和FeCl3溶液電導(dǎo)率隨濃度變化曲線

3.1.2 增大c(Fe3+)對水解平衡的影響

向50 mL新制的0.02 mol/L的FeCl3溶液中，依次加入一定量的飽和FeCl3溶液(3滴/次)并攪拌，示數(shù)穩(wěn)定后打破平衡，繼續(xù)滴加．

隨著飽和FeCl3溶液的滴加，溶液的顏色逐漸加深，由淺黃色變?yōu)辄S棕色，滴加4次后能看到較弱的丁達(dá)爾效應(yīng)． 隨后發(fā)現(xiàn)，將新制的0.1 mol/L FeCl3溶液靜置0.5 h也能看到丁達(dá)爾效應(yīng)． 實(shí)驗(yàn)表明FeCl3的水解聚合要經(jīng)歷一個過程，不同濃度和靜置時間會促使水解程度不同[15]．

從圖3a可知，每次滴加飽和FeCl3溶液后，pH值先急劇下降，然后維持穩(wěn)定，且隨著FeCl3濃度不斷增大，pH值下降趨勢越來越小． 說明滴加過程中H+濃度增加，F(xiàn)eCl3溶液水解平衡向正向移動． 圖3b顯示，隨著飽和FeCl3溶液的滴加，溶液電導(dǎo)率呈上升趨勢． 理論上講，生成膠體會使得體系內(nèi)的電導(dǎo)率下降，但新增加的參與水解部分的FeCl3相對于體系新增的FeCl3總量要少得多，水解的FeCl3只占一小部分，體系的帶電微粒數(shù)增多，因此導(dǎo)致電導(dǎo)率不降反升．

圖3 依次滴加飽和FeCl3溶液后的pH值和電導(dǎo)率變化曲線

根據(jù)滴加飽和FeCl3溶液的滴數(shù)計算出投入FeCl3的總濃度，從手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)軟件中提取出每次滴加完達(dá)到新的水解平衡時的pH值，根據(jù)H(%)=3c(H+)/c(Fe3+)[16]計算出FeCl3的水解度(圖4)．

圖4 FeCl3水解度曲線

從圖4曲線中可以看出向0.02 mol/L的FeCl3溶液中逐步滴加飽和FeCl3溶液，體系的pH值和水解度都降低，說明了隨著體系中c(Fe3+)增大，能促進(jìn)水解平衡正向進(jìn)行，但水解程度隨之降低． 換言之，稀釋FeCl3溶液會使pH值和水解程度增大． 由圖4也可看出，鹽溶液的水解程度是很微弱的，且鹽類水解的概念只適合在稀溶液中提出．

3.2 探究溫度對水解平衡的影響

3.2.1 升溫對水解平衡的影響

同時連接好溫度傳感器、 電導(dǎo)率傳感器及pH傳感器，在加熱條件下，測定0.02 mol/L FeCl3溶液(新制)的pH值及電導(dǎo)率變化情況，以蒸餾水作為對照實(shí)驗(yàn)(圖5)，并記錄20，40，60 ℃下FeCl3溶液顏色變化及丁達(dá)爾現(xiàn)象的情況(圖6)． 由于本實(shí)驗(yàn)使用的電導(dǎo)率傳感器的工作溫度范圍是0～80 ℃，pH傳感器的工作溫度范圍是5～80 ℃，為防止對電極造成損壞，因此本實(shí)驗(yàn)溶液溫度最高加熱至65 ℃．

FeCl3溶液電導(dǎo)率曲線(b)中的突躍變化是由于切換了量程，達(dá)到“1～10 k”檔的峰值后需及時手動進(jìn)行調(diào)整，用“10～100 k” μS/cm檔繼續(xù)測定．

圖6 不同溫度下FeCl3溶液顏色及丁達(dá)爾現(xiàn)象情況

如圖5所示，隨溫度升高，F(xiàn)eCl3溶液的pH值從約2.1逐漸降至1.5，電導(dǎo)率增加了約一倍，而蒸餾水的pH值和電導(dǎo)率只有輕微的波動． 溫度低于40 ℃時溶液的顏色變化不大，溫度達(dá)到60 ℃時顏色加深為紅棕色，能觀察到明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象(圖6)． 升溫能促使FeCl3溶液電離出更多的H+，使得pH值降低；溶液顏色逐漸加深并能觀察到丁達(dá)爾現(xiàn)象，證明有Fe(OH)3膠體形成，由此可見，F(xiàn)eCl3的水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升溫可促進(jìn)水解平衡向正向移動． 雖然多種羥基配合物在不斷聚合，但溫度越高，帶電粒子運(yùn)動速度越快，溶液的電阻越小，導(dǎo)電性增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率升高．

實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，持續(xù)加熱至80 ℃以上時，由于溫度升高，膠粒運(yùn)動速率加快，碰撞機(jī)會增多，膠核對粒子的吸附能力減弱，很容易聚沉出現(xiàn)紅褐色沉淀． 因此，0.02 mol/L 的FeCl3溶液形成膠體的最低溫度為60 ℃． 值得一提的是，加熱形成的膠體冷卻后，放置一周仍有明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)，采用此方法制得的Fe(OH)3膠體可以穩(wěn)定存在．

3.2.2 降溫對水解平衡的影響

將0.02 mol/L FeCl3溶液放置冰水浴中，測定其電導(dǎo)率和pH值(表2實(shí)驗(yàn)1)． 由表2發(fā)現(xiàn)降溫使得體系電導(dǎo)率下降，pH值上升，證明FeCl3水解平衡向左移動，水解被抑制．

將加熱至30，40，50，60 ℃的FeCl3溶液(表2實(shí)驗(yàn)2，3，4，5)分別冷卻至室溫，測定其電導(dǎo)率和pH值． 從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，電導(dǎo)率有大幅降低，pH值也大都有一定上升，但水解平衡卻不能恢復(fù)到室溫時的狀態(tài)(7 294 μS/cm，pH=2.10)，推測是因?yàn)榧訜徇^程中會生成Fe2O3·xH2O[17]，導(dǎo)致反應(yīng)平衡的不可逆． 在探究溫度對水解平衡的影響系列實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，溫度因素對電導(dǎo)率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水解平衡移動所引起的電導(dǎo)率變化，建議改用具有溫度補(bǔ)償功能的電導(dǎo)率傳感器．

表2 FeCl3溶液隨溫度變化的電導(dǎo)率和pH值

3.3 探究c(H+)對水解平衡的影響

室溫下，使用高精度滴定管分別向50 mL新制的FeCl3溶液(0.02 mol/L)中滴加0.1 mol/L的NaOH，Na2CO3，NaHCO3及HCl溶液，控制滴速2～3滴/s，并攪拌，分別測定其pH值及電導(dǎo)率變化，探究堿和酸對體系平衡移動的影響． 表3記錄了FeCl3與堿性和酸性溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

表3 Fe3+與堿性和酸性溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.3.1 堿性溶液對水解平衡的影響

如圖7所示，隨著NaOH的加入，溶液的pH值只是微微上升，即使加至反應(yīng)當(dāng)量的NaOH(30 mL)時，pH值僅上升至約2.65，溶液呈現(xiàn)明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象(表3序號1)． 加入NaOH會消耗FeCl3水解產(chǎn)生的H+，但pH值上升趨勢不大，這說明體系中有更多的H+被水解出來，抑制了pH值的上升，也證實(shí)了水解平衡向正向移動．

向FeCl3溶液中滴加Na2CO3和NaHCO3時，pH值均呈現(xiàn)先緩慢上升、 后急劇上升并慢慢趨于平緩的變化． 滴加Na2CO3時，圖7中AB段有微量氣泡產(chǎn)生，溶液由淺黃色變?yōu)槌群稚?，并伴有丁達(dá)爾效應(yīng)(表3序號2)． BC段反應(yīng)劇烈，有Fe(OH)3沉淀和大量氣泡產(chǎn)生． 滴加NaHCO3至約10 mL時有少量氣泡產(chǎn)生，溶液由淺黃色變?yōu)槌群稚橛卸∵_(dá)爾效應(yīng)(表3序號3)． DE段反應(yīng)現(xiàn)象與BC段相同． 結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及pH值變化曲線，本研究認(rèn)為，AB段和AD段分別是CO32-和HCO3-與Fe3+水解產(chǎn)生的H+結(jié)合生成H2CO3，由于前期生成的H2CO3量較少，逸出液體的氣體較少，且受攪拌的影響，只能觀察到極少的氣泡． 同時，體系中增加的OH-促進(jìn)Fe3+進(jìn)一步水解生成Fe(OH)3膠體，因此AB段和AD段發(fā)生部分雙水解反應(yīng)，pH值上升緩慢，溶液顏色變?yōu)槌群稚⒛苡^察到明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)． BC段和DE段則發(fā)生完全雙水解反應(yīng)，生成Fe(OH)3沉淀和大量氣泡． 由兩者pH值變化曲線的拐點(diǎn)可看出，相較NaHCO3，Na2CO3與FeCl3的雙水解反應(yīng)更為迅速．

圖7 向FeCl3溶液中滴加NaOH，NaHCO3和Na2CO3溶液時的pH值變化

隨著堿性溶液的加入，F(xiàn)eCl3溶液發(fā)生水解聚集形成膠體或沉淀，體系的導(dǎo)電性不如離子溶液強(qiáng)，體系內(nèi)電導(dǎo)率均大幅下降(圖8)． 綜上所述，向水解平衡體系中加入堿和強(qiáng)堿弱酸鹽，都能促進(jìn)水解平衡正向移動． 而且，雙水解對反應(yīng)的促進(jìn)作用更徹底．

圖8 向FeCl3溶液中滴加NaOH，NaHCO3，Na2CO3溶液時的電導(dǎo)率變化

探究本系列實(shí)驗(yàn)時，值得注意的是，滴加速度不宜過快，否則局部堿性過強(qiáng)，直接生成Fe(OH)3沉淀． 攪拌時速度不宜過快，磁子不得碰撞電導(dǎo)率及pH計探頭，以免測量受波動． 滴加大量堿性溶液時，F(xiàn)e(OH)3完全沉降(Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，pH>3.5)，形成的濁液分散系是不均一的，電導(dǎo)率測量會有偏差． 測量時，電極浸泡時間不宜太長．

3.3.2 酸對水解平衡的影響

隨著HCl溶液的滴入，溶液顏色逐漸變淺，由淺黃色褪為接近無色(表3序號4)． 從圖9a可以看出，隨著鹽酸的滴加，c(H+)增加，pH值下降，水解平衡逆向移動，使得Fe3+水解程度降低． 溶液中帶電粒子H+，Cl-，F(xiàn)e3+濃度的增加使溶液導(dǎo)電性增強(qiáng)，電導(dǎo)率曲線呈上升趨勢(圖9b)． 少量的HCl對FeCl3水解的抑制作用都是顯著的．

圖9 向FeCl3溶液中滴加5 mL 0.1 mol/L HCl時的pH值和電導(dǎo)率變化曲線

3.3.3 堿性氧化物及碳酸鹽對水解的影響

本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)探究了堿性氧化物(CuO，CaO)和碳酸鹽(CaCO3)粉末對FeCl3水解的影響． 依據(jù)理論計算，50 mL 0.02 mol/L FeCl3溶液完全發(fā)生反應(yīng)(不考慮Fe3+水解)，所需CuO，CaO和CaCO3的最少質(zhì)量分別為0.12，0.084，0.15 g．

室溫下，分別向新制50 mL 0.02 mol/L FeCl3溶液中加入理論計算量的CuO，CaO和CaCO3固體粉末，并用玻璃棒攪拌，靜置后過濾，用激光筆照射，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見表4．

表4 Fe3+與堿性氧化物、 碳酸鹽反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

相較新制FeCl3溶液初始pH值及電導(dǎo)率(2.16，5 667 μS/cm)，加入CuO，CaO及CaCO3固體后，溶液的pH值均小幅上升，電導(dǎo)率均下降，且溶液均呈現(xiàn)較明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)． 這是由于CuO，CaO及CaCO3與Fe3+水解產(chǎn)生的H+反應(yīng)，使體系c(H+)降低． 但pH值只小幅上升，且體系聚集形成膠體使導(dǎo)電離子數(shù)減少，因此Fe3+水解平衡正向進(jìn)行，水解程度增大． 三者反應(yīng)后均呈現(xiàn)較明顯的丁達(dá)爾效應(yīng)，氧化鈣尤甚． 值得一提的是，放置一夜后，加入CaO粉末的一組溶液能持久呈現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)(圖10)，說明利用此方法可制備穩(wěn)定的Fe(OH)3膠體．

圖10 靜置一夜后的丁達(dá)爾效應(yīng)

4 研究意義

本研究利用手持技術(shù)中的pH傳感器、 電導(dǎo)率傳感器及溫度傳感器，測定了不同外界條件影響FeCl3水解的pH值和電導(dǎo)率變化，佐證了鹽類水解的主要影響因素． 同時，由數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的圖形和數(shù)據(jù)分析了水解程度及雙水解反應(yīng)歷程，實(shí)驗(yàn)過程中也獲得了多種制備穩(wěn)定膠體的方法． 本系列手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)為教材中的實(shí)驗(yàn)活動提供了具體方案．

同時，本系列手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以作為揭示“影響水解平衡的主要因素”教學(xué)的素材，使抽象概念顯性化，定性實(shí)驗(yàn)定量化、 動態(tài)化，能夠轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式及思維方式，培養(yǎng)學(xué)生曲線解讀能力及“證據(jù)推理”素養(yǎng)；通過對比實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生控制變量的思想，學(xué)會分析化學(xué)平衡移動的一般思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生的平衡觀、 變化觀、 宏微觀及 “模型認(rèn)知”素養(yǎng)，真正踐行信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合．