運用數字化實驗探究離子反應的微觀原理*——初高中銜接之硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應

龐玉璽汪　嶸

（1上海市金山中學　上海　201599；2無錫市劉潭實驗學校　江蘇無錫　214046）

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運用數字化實驗探究離子反應的微觀原理*——初高中銜接之硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應

龐玉璽1汪嶸2

（1上海市金山中學上海201599；2無錫市劉潭實驗學校江蘇無錫214046）

摘要：以初高中學段都采用的硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應實驗為切入點，比較了不同學段此實驗的教學功能；并就電離理論中離子反應部分的教學，嘗試利用數字化動態導電性實驗，采用由“微觀→宏觀”教學方法，透過微觀本質解釋宏觀現象，初步建立微粒觀思維。

關鍵詞：離子反應；數字化；微粒觀；教育解釋學

*江蘇省教育科學“十二五”規劃2013課題“基于教育解釋學的初中化學實驗有效教學實踐研究”（D/2013/02/624）成果之一。

硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應是中學化學的常見實驗。因具有藥品用量少，實驗快速，現象明顯，零排放等優點，在不同的學段作為不同知識點的載體。在初中學段，此實驗的教學功能側重于學會使用合適的化學語言對現象進行描述，并作為學習質量守恒定律和復分解反應條件的實驗載體；高中學段則采用此實驗來探究離子反應本質。不同的教學功能使得兩個學段對硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液的要求不同。初中學段本實驗需成功地出現實驗現象，定性地得出產物是氫氧化銅和硫酸鈉，定量地獲得反應前后質量不變的數據。而高中學段則需從微觀原理知道兩者反應的實質是銅離子和氫氧根離子的反應，并通過此實驗來了解離子反應的本質和規律。傳統上，采用“宏觀→微觀”教學法，在離子反應的教學中會利用此實驗的現象、反應類型入手，然后從電解質電離角度分析產生這些現象的微觀過程，從而引出離子反應的概念和電解質在溶液中反應的實質。這種方法更多關注的是用微觀過程對宏觀現象進行解釋，學生在思維上延續著宏觀思維的方式。鑒于此，筆者試圖突破這種傳統的對離子反應的教學，使用手持技術——數字傳感器重現動態導電性實驗，以期能將初高中學段關于此實驗的教學更加有效地銜接，并使學生能從微觀的離子角度理解離子反應，并透過微觀本質理解宏觀現象，幫助學生逐步建立微粒觀思維。

一、硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應的動態導電性實驗裝置圖

二、教學實踐片斷

師：介紹電導率的定義及電導率與離子濃度的關系。

［實驗1］25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液，測電導率，如圖中電導率-時間曲線Ⅰ。

師：0.05mo1/L CuSO4溶液為什么可以導電?

生（眾）：溶液中有離子，主要是Cu2+和SO42-，另外少量的H+和OH-。

師：如果向0.05mo1/L CuSO4溶液中加點水或者氫氧化鈉溶液，溶液中的離子會如何變化?這條曲線又會怎樣變化呢?

［實驗2］用滴定管勻速向插有電導率傳感器的25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液中滴入蒸餾水50mL，獲得電導率-時間曲線Ⅱ。

師：如何解釋由實驗2獲得的曲線Ⅱ?

生：實驗2向CuSO4溶液中滴加水后溶液體積增大、溶液被稀釋，從而使主要起導電作用的Cu2+和SO42-濃度降低而使導電能力降低。

師：向CuSO4溶液中加入NaOH溶液，溶液也會被稀釋，曲線又會如何變化呢?

［實驗3］用滴定管勻速向插有電導率傳感器的25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液中滴入0.1mo1/L NaOH溶液50mL，獲得電導率-時間曲線Ⅲ。

圖1電導率—時間曲線圖

（Ⅰ：CuSO4溶液；Ⅱ：CuSO4溶液中滴加水；Ⅲ：CuSO4溶液中滴加NaOH溶液）

師：在實驗3中，溶液中各種離子濃度是如何變化的?曲線III為什么先降低后升高?為什么曲線III最低點處的電導率高于曲線II?

生：實驗3向CuSO4溶液中滴加氫氧化鈉，OH-與Cu2+生成了沉淀，使溶液中的Cu2+離子濃度快速減小，而溶液中原有的SO42-和由滴定管加入的Na+未參與反應而其濃度因稀釋減少，以離子形式存在于溶液，故仍有一定的導電能力，強于實驗2；溶液后期導電能力的增強是NaOH溶液過量使原溶液中Na+和OH-離子濃度增大導致。

師：如何通過實驗證明Na+和SO42-沒有參與反應?

生：取實驗3反應后的上層清液中滴加BaC12溶液產生白色沉淀的方法證明SO42-未參與反應。

師：嘗試用離子符號來表示上述離子間的作用。

生：Cu2++2OH-→Cu（OH）2↓

師：由此，我們可以得出硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應的本質是Cu2+和OH-之間的反應，而電解質在溶液中發生反應的實質就是離子間的反應。

三、教學實踐思考

教育解釋學認為教師不是知識守望者和旁觀者，教師是經驗建構者。教師應精于把課程知識與自己、學生的經驗結合起來，敢于重構教參和教材，樂于和學生發展共有知識，善于引領學生進行有意義的經驗互動。微觀粒子看不見、摸不著，又確實存在，如何通過技術手段使他們變得“可見”從而回歸知識的本源成為設計本實驗教學的一個思想。本實驗教學采用動態導電性實驗將抽象的離子濃度與電導率相聯系，引導學生分析反應物的構成微粒和微粒間的作用，從而建立化學反應的微粒觀思維，更好地認識微觀世界。在具體的教學實踐中，也直接采用“微觀→宏觀”教學法，由微觀粒子的變化來解釋宏觀現象。

教師的課程意識是教師把課程經驗不斷向學生的生活經驗靠攏，使他們之間不斷滲透和延續，從而引導學生從初中化學到高中化學有效銜接。眾所周知，初高中銜接教學不僅要關注知識與技能，更應該關注過程和方法。離子反應作為電離理論的核心，體現了化學學科思維中微粒觀和變化觀的思維特點。初中教材中對離子反應很少涉及，只是在人教版《化學（九年級）》下冊“酸和堿的中和反應”中氫氧化鈉和鹽酸反應的示意圖中能了解到該反應的實質是：H++OH-→H2O。硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應在初中學段作為學生學習實驗基本操作技能、規范化學用語以及學習質量守恒定律和復分解反應條件的實驗載體，但還沒有像高中學段一樣需通過此實驗來探究離子反應的本質問題。受認知能力發展的影響，學生對離子反應的認識并非一蹴而就，而是經歷了由物質到離子，由易及難，由現象到本質的一個遞進過程。手持技術的加入可以清楚地“觀察”到溶液內部微粒的變化，與初中的復分解反應相比，拓展和深化了學生對溶液中的化學反應的認識，提供了一種分析問題和解決問題的新視角，即從微觀離子角度認識分析水溶液中物質間的反應。

使用現代數字技術手段做一點小小的嘗試，從微觀視角去審視一個實驗、一個原理，揭示宏觀現象背后所隱含的微觀原理，能夠幫助學生更好地從分子、原子和離子層面上理解化學變化的本質，更有效地提升學生的化學思維品質。

參考文獻

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.032

文章編號：1008-0546（2016）02-0094-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B