基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究氯化銅溶液對(duì)Mg-H₂O體系的影響

摘 要：從熱力學(xué)角度、原電池視角分別分析復(fù)雜體系Mg-H2O-CuCl2時(shí)，發(fā)現(xiàn)Mg還原CuCl2的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物分別是CuCl、Cu，因此預(yù)測(cè)了Mg-H2O-CuCl2體系中可能發(fā)生的各種反應(yīng)和反應(yīng)進(jìn)程，利用變量控制法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，得到宏微兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：鎂；氯化銅；變量控制；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、問(wèn)題的提出

高中化學(xué)教材中鎂與水溶液反應(yīng)的素材在必修階段出現(xiàn)在對(duì)第三周期金屬性的探究[1]中；選修階段出現(xiàn)在對(duì)沉淀溶解平衡的探究中，即：向有氫氧化鎂生成的體系中加入氯化銨溶液，沉淀溶解[2]；而在高三復(fù)習(xí)階段則經(jīng)常以復(fù)雜溶液體系中的問(wèn)題解決形式出現(xiàn)。筆者在鎂條與碳酸氫鈉溶液[3]、鎂條與氯化銀濾液[4]的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于Mg-H2O體系的探究存在認(rèn)識(shí)階段性問(wèn)題，可能缺少全面分析問(wèn)題的能力，有系統(tǒng)研究的價(jià)值?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》關(guān)于科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)核心素養(yǎng)明確指出，能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題；能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究[5]。近年來(lái)，高考題常出現(xiàn)以氧化還原反應(yīng)為知識(shí)載體、以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)圖為呈現(xiàn)形式，在素材中存在認(rèn)知沖突或異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探究實(shí)驗(yàn)類試題。本文嘗試分析復(fù)雜體系Mg-H2O-CuCl2的反應(yīng)，研究其反應(yīng)進(jìn)程，明確反應(yīng)原理，找尋可應(yīng)用于教學(xué)的提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)素材，以饋?zhàn)x者。

二、實(shí)驗(yàn)探究

分別采集實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組“pH-時(shí)間”數(shù)據(jù)，平行實(shí)驗(yàn)三次。

（四）實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

【方法一】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析及結(jié)論按照實(shí)驗(yàn)歷程分為三個(gè)階段分別論述，相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象詳見表3。

（1）鎂條投入初期實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及產(chǎn)物分析

實(shí)驗(yàn)組鎂條表面有紅棕色固體析出，氣泡產(chǎn)生速率較快，反應(yīng)液基本澄清。

紅棕色固體是Cu，表明Mg與Cu置換反應(yīng)為優(yōu)勢(shì)反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)組中氣泡產(chǎn)生速率較快，且反應(yīng)液基本澄清，表明反應(yīng)Mg+2H+= Mg2++H2↑為速率較快的原電池反應(yīng)。

（2）3min后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及產(chǎn)物分析

實(shí)驗(yàn)組中鎂條表面快速逸出氣泡，表面的脫落物不斷沉降，反應(yīng)液中出現(xiàn)藍(lán)白色沉淀物。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)液pH = 4. 85；離心其反應(yīng)液可見藍(lán)白色和紅棕色沉淀物；鎂表面被灰藍(lán)色固體覆蓋，用濃氨水洗滌后，鎂條表面露出紅棕色覆蓋層；氨水浸出液呈藍(lán)色，迅速用注射器抽取部分浸出液并封閉，其余部分置于敞口試管中，再過(guò)2min后試管中浸出液藍(lán)色略有加深。

（三）基于提升宏微結(jié)合與證據(jù)推理素養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)

在本實(shí)驗(yàn)探究中，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法一與基于pH變化檢測(cè)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法二在宏觀辨識(shí)與微觀探析層面互為印證。在組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)圖相結(jié)合來(lái)得出結(jié)論或印證猜想，如：實(shí)驗(yàn)方法一中鎂條投入初期表面產(chǎn)生氣泡較多，宏觀上看到有紅色固體析出，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)圖A1-A2階段pH增大較快，分析得到形成Mg-Cu原電池裝置使反應(yīng)速率加快的結(jié)論；猜測(cè)反應(yīng)過(guò)程中存在Cu2+的水解，在數(shù)據(jù)圖pH = 4-6之間找到曲線趨緩的證據(jù)得以證明。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)宏微證據(jù)相結(jié)合的問(wèn)題線，有利于診斷并提高學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究可以發(fā)現(xiàn)，在判斷某一化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生時(shí)，不僅需要從熱力學(xué)視角討論反應(yīng)的方向和限度，也需要從動(dòng)力學(xué)視角研判這一化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，例如Mg與Cu2+的反應(yīng)、Mg與H2O的反應(yīng)；在分析影響反應(yīng)速率的因素時(shí)，除了溫度、濃度、催化劑等常見因素外，還可能有原電池效應(yīng)、其他微粒的平衡移動(dòng)等因素，例如Mg-Cu原電池裝置、Cu2+水解平衡移動(dòng)；在書寫反應(yīng)方程式時(shí)，應(yīng)根據(jù)微粒所處pH環(huán)境確定其存在形式，才能得出該反應(yīng)與pH之間的正確關(guān)系，例如pH<10. 75時(shí)為Mg2+（pH增大）、pH≥10. 75時(shí)為Mg（OH）2（pH穩(wěn)定）。這些易忽視的視角在組織高中化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)該引起足夠的重視。

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[4]孫默，鄭曉紅.變量控制在實(shí)驗(yàn)探究專題教學(xué)中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)——以“鎂+水”反應(yīng)體系為例[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（13）：102-108.

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（責(zé)任編輯：加順花）