數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究石灰水的電導(dǎo)率變化情況

作者簡(jiǎn)介：季曉春（1987—），女，漢族，江蘇張家港人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué)。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用新穎的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置，能夠讓學(xué)生接觸到最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法。而且創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生的探究過(guò)程，能讓學(xué)生通過(guò)探究發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，并能用科學(xué)語(yǔ)言和信息技術(shù)手段合理表達(dá)探究的過(guò)程和結(jié)果。在化學(xué)教學(xué)中，教師可以通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，創(chuàng)設(shè)生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)情境，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識(shí)與技能，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

一、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來(lái)源■

圖1 試驗(yàn)物質(zhì)的導(dǎo)電性

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圖2 石灰石與鹽酸反應(yīng)

人教版九年級(jí)化學(xué)教材下冊(cè)第10單元實(shí)驗(yàn)“試驗(yàn)物質(zhì)的導(dǎo)電性”中通過(guò)電源、小燈泡、導(dǎo)線、金屬或石墨電極等搭建物理電路，觀察小燈泡是否發(fā)光來(lái)判斷與其串聯(lián)在一個(gè)電路中的所給實(shí)驗(yàn)物質(zhì)（如氫氧化鈣溶液）是否能導(dǎo)電（如圖1）。

氫氧化鈣溶液又稱為澄清石灰水，實(shí)驗(yàn)室常用來(lái)檢驗(yàn)二氧化碳?xì)怏w（如圖2），因?yàn)槎趸細(xì)怏w能使其變渾濁，現(xiàn)象明顯。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，渾濁的石灰水又變澄清。

以上實(shí)驗(yàn)方法探究有關(guān)氫氧化鈣溶液的性質(zhì)，現(xiàn)象明顯，可操作性強(qiáng)，但主要是從定性的角度分析。如第一個(gè)實(shí)驗(yàn)在引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度分析溶液的導(dǎo)電性時(shí)較為抽象；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，為什么渾濁的石灰水又變澄清了？在引導(dǎo)學(xué)生解釋反應(yīng)的特殊現(xiàn)象、認(rèn)識(shí)反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)時(shí)比較困難。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

使用傳感器探究石灰水的電導(dǎo)率變化情況，從而幫助學(xué)生理解溶液的導(dǎo)電原理以及認(rèn)識(shí)石灰水與二氧化碳的反應(yīng)實(shí)質(zhì)。

三、實(shí)驗(yàn)原理

電導(dǎo)率傳感器用于測(cè)量溶液的導(dǎo)電性強(qiáng)弱。一定條件下，電導(dǎo)率的大小能反映溶液中離子濃度的大小。

四、實(shí)驗(yàn)儀器和裝置圖（如圖3、圖4）

數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)配套軟件、磁力攪拌器、燒杯、錐形瓶、分液漏斗、導(dǎo)管、氫氧化鈣、純凈水、稀鹽酸、石灰石等。

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圖3

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圖4

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.取室溫26℃下100 mL純凈水加入燒杯中，放入磁力攪拌器磁珠。

2.校準(zhǔn)傳感器，組裝儀器，設(shè)定攪拌擋位。

3.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，迅速將一藥匙氫氧化鈣粉末加入燒杯中，充分溶解后，再加半藥匙氫氧化鈣粉末，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4.取室溫下接近飽和的澄清石灰水各30 mL于兩只燒杯中，往其中一只燒杯加等體積的水，使其濃度稀釋一半。

5.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下20 mL已被稀釋的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳?xì)怏w，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

6.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下30 mL接近飽和的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳?xì)怏w，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

六、數(shù)據(jù)分析

1.氫氧化鈣溶液具有導(dǎo)電性。

由電導(dǎo)率傳感器顯示的波形圖（如圖5）可以看出，純凈水幾乎不導(dǎo)電，其電導(dǎo)率為0.405；加入氫氧化鈣后，固體逐漸溶解，溶液中的離子濃度不斷增大，溶液的電導(dǎo)率不斷增大；氫氧化鈣溶解達(dá)到飽和狀態(tài)后，溶液中的離子濃度不變，溶液的電導(dǎo)率不變，達(dá)到最大值10.376。

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圖5

2.實(shí)驗(yàn)室用澄清石灰水檢驗(yàn)二氧化碳時(shí)，為何有時(shí)會(huì)觀察到意外現(xiàn)象？

其實(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的意外現(xiàn)象通過(guò)電導(dǎo)率傳感器顯示的波形（如圖6），很容易分析得出結(jié)論。

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圖6

接近飽和的澄清石灰水被稀釋后，測(cè)得其初始電導(dǎo)率為5.724。當(dāng)通入二氧化碳?xì)怏w時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成難溶性的碳酸鈣沉淀，溶液中的離子數(shù)目減少，離子濃度減少，溶液的電導(dǎo)率降低，當(dāng)氫氧化鈣完全反應(yīng)時(shí)，溶液電導(dǎo)率降至最低點(diǎn)1.046（如圖7）。繼續(xù)通入過(guò)量的二氧化碳?xì)怏w，觀察到變渾濁的石灰水又變澄清，同時(shí)溶液的電導(dǎo)率開(kāi)始上升，直至2.388（如圖8）。這一現(xiàn)象對(duì)應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)是：CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2在室溫下易溶于水，可解離出自由移動(dòng)的離子，從而使得溶液中的離子數(shù)目增多，離子濃度增大，溶液的電導(dǎo)率又上升。

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圖7 澄清石灰水變渾濁

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圖8 渾濁的液體又變澄清

3.濃度較大的澄清石灰水檢驗(yàn)二氧化碳時(shí)，即使二氧化碳過(guò)量，為何石灰水仍渾濁？

其實(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中并不只發(fā)生了前一個(gè)反應(yīng)，仍然是兩個(gè)反應(yīng)都有發(fā)生，這一點(diǎn)通過(guò)電導(dǎo)率傳感器顯示的波形（如圖9），也能分析得出結(jié)論。

該波形曲線的變化趨勢(shì)和上一個(gè)實(shí)驗(yàn)相似。一開(kāi)始室溫下接近飽和的澄清石灰水的電導(dǎo)率為10.061，隨著二氧化碳?xì)怏w的持續(xù)通入直至過(guò)量，同樣發(fā)生了兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)：先是Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓ +H2O，然后CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，溶液的電導(dǎo)率快速下降到1.106，然后又上升至3.114，并趨于平穩(wěn)。而我們?cè)谟^察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)過(guò)程中石灰水一直都是渾濁的，如圖10、11所示，所以從定性的角度很難去解釋這一現(xiàn)象，但是通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)量化分析可以直觀、明顯地得出結(jié)論：反應(yīng)后所得溶液中離子的濃度低于原溶液，可能是因?yàn)榈谝徊椒磻?yīng)生成的CaCO3未能完全轉(zhuǎn)化為可溶性的Ca（HCO3）2，使得溶液中離子濃度減小，石灰水仍然渾濁，溶液電導(dǎo)率有上升但不能恢復(fù)初始數(shù)據(jù)。

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圖10 澄清石灰水變渾濁

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圖11 繼續(xù)通入二氧化碳?xì)怏w，

液體仍然渾濁

七、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^為準(zhǔn)確、具體地幫助學(xué)生理解各種物質(zhì)，尤其是溶液導(dǎo)電的微觀原理，解決了長(zhǎng)期以來(lái)初中階段只定性地研究物質(zhì)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目相比，操作步驟減少，實(shí)驗(yàn)方便，節(jié)約時(shí)間，學(xué)生更能從本質(zhì)上理解初中重要化合物酸堿鹽的定義。

2.通過(guò)測(cè)定不同濃度澄清石灰水中通入二氧化碳?xì)怏w后溶液電導(dǎo)率的變化情況，我們了解了某些直觀現(xiàn)象背后所看不到的化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)；同時(shí)也為學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中遇到的意外現(xiàn)象做出了很好的定量分析和解釋，能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣。

3.如果在分組完成課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上演示本實(shí)驗(yàn)，既能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、觀察能力，又能培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)融入信息社會(huì)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的鑰匙。它豐富了我們對(duì)化學(xué)問(wèn)題的研究方式，也提升了我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退季S能力，讓我們有一個(gè)更順暢地引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化、現(xiàn)代化的渠道。每位化學(xué)教師都可以不斷發(fā)揮自己的教學(xué)智慧，敢于質(zhì)疑，大膽創(chuàng)新，不斷去整合、完善和更新自己的教學(xué)理念。

（作者單位：南京市金陵中學(xué)岱山分校）

編輯：趙飛飛