利用多信道傳感器技術探究酸堿中和反應的過程和本質

陳學東　嚴西平

摘要：文章采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率的數字化實驗，并相互驗證，幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

關鍵詞：中和反應；多信道；傳感器

文章編號：1008-0546（2014）09-0089-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.09.032

上海教育出版社的義務教育教科書《化學》下冊中通過三個活動對中和反應進行探究：1.在氫氧化鈉溶液的燒杯中，滴加2-3滴酚酞試液，插入溫度計測量溶液的溫度，用膠頭滴管逐滴滴加鹽酸，邊滴邊攪拌，至溶液剛好變成無色。觀察在實驗過程中溶液的堿性和溫度的變化。2.取實驗1所得少量溶液于試管中，向其中加入一滴氫氧化鈉溶液，觀察溶液的顏色變化。3.用玻璃棒蘸取實驗1所得溶液，加熱至蒸干，觀察現象。在課堂教學實踐中，發現該實驗雖然現象明顯，但操作較煩瑣。同時在后續酸堿中和反應實質的學習中，教師通常只是以動畫演示或示意圖的形式進行講解，缺乏實驗的佐證。隨著現代信息技術的發展，采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率測定的數字化實驗，并將它們相互驗證，可以幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

實驗儀器：

計算機、正方體數據采集器（型號LAB-PORT2）、正方體溫度傳感器（型號LAB-TS21A）正方體pH傳感器（型號LAB-PH21A）、正方體電導率傳感器（型號LAB-CONS23A）。

一、用溫度傳感器和pH傳感器同步探究中和反應過程

1. 實驗原理

在氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸，隨著中和反應的發生，溶液的pH會發生改變，中和反應同時也是一個放熱反應，反應過程中，溶液的溫度也會隨之發生變化。通過測定溶液的pH和溫度的變化即可說明中和反應的發生和中和反應是放熱反應的特征。

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、pH傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鈉溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀鹽酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、pH傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀鹽酸，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、pH的數據并實時繪制出變化曲線，因為溫度和pH這兩個物理量變化范圍相當，可以在同一坐標系中將反應過程中它們的變化曲線同時呈現（如圖1），也可以在同一屏幕中將兩個坐標系縱向排列，將兩根曲線分開顯示（如圖2），便于教師在教學時進行對比。因為是基于同一次實驗的數據所繪制的圖，實驗結果更科學、更有說服力。

3. 數據分析

從圖1和圖2均可看出，隨著滴加的鹽酸與氫氧化鈉溶液的反應，溶液pH逐漸下降、溫度上升。當pH下降到7時，酸與堿恰好完全反應，這時溶液溫度達到最高點。隨著鹽酸繼續滴加，pH繼續下降，但此時中和反應已不再進行，溶液的溫度從最高點緩慢降低。兩根曲線的對比準確地反映了整個過程中溶液的酸堿性和溫度變化的特點。使學生直觀地感受中和反應的過程和中和反應是放熱反應的特征。

二、用電導率傳感器和溫度傳感器同步探究中和反應的過程

1. 實驗原理

中和反應的本質是酸中的H+的和堿中的OH-結合成H2O，反應時溶液中的離子濃度會逐漸減小。在溶液的學習中，學生已經知道了溶液的導電是由于電離出自由移動的離子的緣故，當溶液中自由移動的離子濃度發生變化，溶液導電性也會隨之發生變化。利用電導率傳感器測定中和反應過程中溶液電導率的變化，間接地反映出溶液中離子濃度的變化，可以表征中和反應的過程和本質。①

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、電導率傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鋇溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀硫酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、電導率傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀硫酸溶液，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、電導率的數據并實時繪制出變化曲線，在同一屏幕上將中和反應過程中溶液的電導率的變化和溫度的變化曲線同時呈現，并進行對比。

3. 數據分析

三、實驗結論

1. 在初中化學中和反應的教學中采用傳感器技術進行實驗，可以準確地測定反應過程中溶液的pH、溫度、電導率的變化過程，實驗現象明顯。尤其是利用電導率傳感器測定反應過程中溶液電導率的變化可以間接地反映出溶液中離子濃度的變化，彌補了教材中的實驗無法對酸堿中和反應的微觀本質進行驗證的遺憾。但實驗過程中，我們也發現pH傳感器和電導率傳感器不能同時進行測定，相互會干擾。

2. 在課堂教學引入傳感器技術進行數字化實驗，是傳統實驗方案的有益補充，給我們的課堂實驗探究提供了新的方法和新的手段。將傳感器技術和傳統實驗結合起來，不僅可以提高實驗的科學性和準確性，而且可以簡化實驗過程，減小實驗誤差。不僅能增強學生的學習興趣，還有助于提高學生的科學素養。

3. 與單信道傳感器實驗相比，多信道傳感器技術在實驗中的應用，實現了一個反應多重表征，告訴學生同一個實驗可以從多個不同的角度進行探究，豐富了實驗的信息量，為教師開展課堂教學研討提供了多樣的素材。endprint

摘要：文章采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率的數字化實驗，并相互驗證，幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

關鍵詞：中和反應；多信道；傳感器

文章編號：1008-0546（2014）09-0089-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.09.032

上海教育出版社的義務教育教科書《化學》下冊中通過三個活動對中和反應進行探究：1.在氫氧化鈉溶液的燒杯中，滴加2-3滴酚酞試液，插入溫度計測量溶液的溫度，用膠頭滴管逐滴滴加鹽酸，邊滴邊攪拌，至溶液剛好變成無色。觀察在實驗過程中溶液的堿性和溫度的變化。2.取實驗1所得少量溶液于試管中，向其中加入一滴氫氧化鈉溶液，觀察溶液的顏色變化。3.用玻璃棒蘸取實驗1所得溶液，加熱至蒸干，觀察現象。在課堂教學實踐中，發現該實驗雖然現象明顯，但操作較煩瑣。同時在后續酸堿中和反應實質的學習中，教師通常只是以動畫演示或示意圖的形式進行講解，缺乏實驗的佐證。隨著現代信息技術的發展，采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率測定的數字化實驗，并將它們相互驗證，可以幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

實驗儀器：

計算機、正方體數據采集器（型號LAB-PORT2）、正方體溫度傳感器（型號LAB-TS21A）正方體pH傳感器（型號LAB-PH21A）、正方體電導率傳感器（型號LAB-CONS23A）。

一、用溫度傳感器和pH傳感器同步探究中和反應過程

1. 實驗原理

在氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸，隨著中和反應的發生，溶液的pH會發生改變，中和反應同時也是一個放熱反應，反應過程中，溶液的溫度也會隨之發生變化。通過測定溶液的pH和溫度的變化即可說明中和反應的發生和中和反應是放熱反應的特征。

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、pH傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鈉溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀鹽酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、pH傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀鹽酸，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、pH的數據并實時繪制出變化曲線，因為溫度和pH這兩個物理量變化范圍相當，可以在同一坐標系中將反應過程中它們的變化曲線同時呈現（如圖1），也可以在同一屏幕中將兩個坐標系縱向排列，將兩根曲線分開顯示（如圖2），便于教師在教學時進行對比。因為是基于同一次實驗的數據所繪制的圖，實驗結果更科學、更有說服力。

3. 數據分析

從圖1和圖2均可看出，隨著滴加的鹽酸與氫氧化鈉溶液的反應，溶液pH逐漸下降、溫度上升。當pH下降到7時，酸與堿恰好完全反應，這時溶液溫度達到最高點。隨著鹽酸繼續滴加，pH繼續下降，但此時中和反應已不再進行，溶液的溫度從最高點緩慢降低。兩根曲線的對比準確地反映了整個過程中溶液的酸堿性和溫度變化的特點。使學生直觀地感受中和反應的過程和中和反應是放熱反應的特征。

二、用電導率傳感器和溫度傳感器同步探究中和反應的過程

1. 實驗原理

中和反應的本質是酸中的H+的和堿中的OH-結合成H2O，反應時溶液中的離子濃度會逐漸減小。在溶液的學習中，學生已經知道了溶液的導電是由于電離出自由移動的離子的緣故，當溶液中自由移動的離子濃度發生變化，溶液導電性也會隨之發生變化。利用電導率傳感器測定中和反應過程中溶液電導率的變化，間接地反映出溶液中離子濃度的變化，可以表征中和反應的過程和本質。①

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、電導率傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鋇溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀硫酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、電導率傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀硫酸溶液，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、電導率的數據并實時繪制出變化曲線，在同一屏幕上將中和反應過程中溶液的電導率的變化和溫度的變化曲線同時呈現，并進行對比。

3. 數據分析

三、實驗結論

1. 在初中化學中和反應的教學中采用傳感器技術進行實驗，可以準確地測定反應過程中溶液的pH、溫度、電導率的變化過程，實驗現象明顯。尤其是利用電導率傳感器測定反應過程中溶液電導率的變化可以間接地反映出溶液中離子濃度的變化，彌補了教材中的實驗無法對酸堿中和反應的微觀本質進行驗證的遺憾。但實驗過程中，我們也發現pH傳感器和電導率傳感器不能同時進行測定，相互會干擾。

2. 在課堂教學引入傳感器技術進行數字化實驗，是傳統實驗方案的有益補充，給我們的課堂實驗探究提供了新的方法和新的手段。將傳感器技術和傳統實驗結合起來，不僅可以提高實驗的科學性和準確性，而且可以簡化實驗過程，減小實驗誤差。不僅能增強學生的學習興趣，還有助于提高學生的科學素養。

3. 與單信道傳感器實驗相比，多信道傳感器技術在實驗中的應用，實現了一個反應多重表征，告訴學生同一個實驗可以從多個不同的角度進行探究，豐富了實驗的信息量，為教師開展課堂教學研討提供了多樣的素材。endprint

摘要：文章采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率的數字化實驗，并相互驗證，幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

關鍵詞：中和反應；多信道；傳感器

文章編號：1008-0546（2014）09-0089-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.09.032

上海教育出版社的義務教育教科書《化學》下冊中通過三個活動對中和反應進行探究：1.在氫氧化鈉溶液的燒杯中，滴加2-3滴酚酞試液，插入溫度計測量溶液的溫度，用膠頭滴管逐滴滴加鹽酸，邊滴邊攪拌，至溶液剛好變成無色。觀察在實驗過程中溶液的堿性和溫度的變化。2.取實驗1所得少量溶液于試管中，向其中加入一滴氫氧化鈉溶液，觀察溶液的顏色變化。3.用玻璃棒蘸取實驗1所得溶液，加熱至蒸干，觀察現象。在課堂教學實踐中，發現該實驗雖然現象明顯，但操作較煩瑣。同時在后續酸堿中和反應實質的學習中，教師通常只是以動畫演示或示意圖的形式進行講解，缺乏實驗的佐證。隨著現代信息技術的發展，采用多信道傳感器技術，進行中和反應過程中pH、溫度及電導率測定的數字化實驗，并將它們相互驗證，可以幫助學生更好地理解中和反應的過程、特點和本質。

實驗儀器：

計算機、正方體數據采集器（型號LAB-PORT2）、正方體溫度傳感器（型號LAB-TS21A）正方體pH傳感器（型號LAB-PH21A）、正方體電導率傳感器（型號LAB-CONS23A）。

一、用溫度傳感器和pH傳感器同步探究中和反應過程

1. 實驗原理

在氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸，隨著中和反應的發生，溶液的pH會發生改變，中和反應同時也是一個放熱反應，反應過程中，溶液的溫度也會隨之發生變化。通過測定溶液的pH和溫度的變化即可說明中和反應的發生和中和反應是放熱反應的特征。

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、pH傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鈉溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀鹽酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、pH傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀鹽酸，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、pH的數據并實時繪制出變化曲線，因為溫度和pH這兩個物理量變化范圍相當，可以在同一坐標系中將反應過程中它們的變化曲線同時呈現（如圖1），也可以在同一屏幕中將兩個坐標系縱向排列，將兩根曲線分開顯示（如圖2），便于教師在教學時進行對比。因為是基于同一次實驗的數據所繪制的圖，實驗結果更科學、更有說服力。

3. 數據分析

從圖1和圖2均可看出，隨著滴加的鹽酸與氫氧化鈉溶液的反應，溶液pH逐漸下降、溫度上升。當pH下降到7時，酸與堿恰好完全反應，這時溶液溫度達到最高點。隨著鹽酸繼續滴加，pH繼續下降，但此時中和反應已不再進行，溶液的溫度從最高點緩慢降低。兩根曲線的對比準確地反映了整個過程中溶液的酸堿性和溫度變化的特點。使學生直觀地感受中和反應的過程和中和反應是放熱反應的特征。

二、用電導率傳感器和溫度傳感器同步探究中和反應的過程

1. 實驗原理

中和反應的本質是酸中的H+的和堿中的OH-結合成H2O，反應時溶液中的離子濃度會逐漸減小。在溶液的學習中，學生已經知道了溶液的導電是由于電離出自由移動的離子的緣故，當溶液中自由移動的離子濃度發生變化，溶液導電性也會隨之發生變化。利用電導率傳感器測定中和反應過程中溶液電導率的變化，間接地反映出溶液中離子濃度的變化，可以表征中和反應的過程和本質。①

2. 實驗過程

（1）將溫度傳感器、電導率傳感器連接到數據采集器，數據采集器連接計算機，打開計算機軟件。取50mL氫氧化鋇溶液于250mL的燒杯中，燒杯中放入磁力攪拌子，并將燒杯置于磁力攪拌器上，在滴定管中加滿稀硫酸并固定在鐵架臺上，將溫度傳感器、電導率傳感器同時插入燒杯中。

（2）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌，滴加稀硫酸溶液，點擊開始按鈕，同時采集反應過程中溫度、電導率的數據并實時繪制出變化曲線，在同一屏幕上將中和反應過程中溶液的電導率的變化和溫度的變化曲線同時呈現，并進行對比。

3. 數據分析

三、實驗結論

1. 在初中化學中和反應的教學中采用傳感器技術進行實驗，可以準確地測定反應過程中溶液的pH、溫度、電導率的變化過程，實驗現象明顯。尤其是利用電導率傳感器測定反應過程中溶液電導率的變化可以間接地反映出溶液中離子濃度的變化，彌補了教材中的實驗無法對酸堿中和反應的微觀本質進行驗證的遺憾。但實驗過程中，我們也發現pH傳感器和電導率傳感器不能同時進行測定，相互會干擾。

2. 在課堂教學引入傳感器技術進行數字化實驗，是傳統實驗方案的有益補充，給我們的課堂實驗探究提供了新的方法和新的手段。將傳感器技術和傳統實驗結合起來，不僅可以提高實驗的科學性和準確性，而且可以簡化實驗過程，減小實驗誤差。不僅能增強學生的學習興趣，還有助于提高學生的科學素養。

3. 與單信道傳感器實驗相比，多信道傳感器技術在實驗中的應用，實現了一個反應多重表征，告訴學生同一個實驗可以從多個不同的角度進行探究，豐富了實驗的信息量，為教師開展課堂教學研討提供了多樣的素材。endprint