“Crocodile Chemistry”在“酸堿中和滴定”實驗教學(xué)中的應(yīng)用

楊毅旭+沈甸

摘要：強酸與強堿、強酸與弱堿等中和反應(yīng)之間存在何種差異，運用真實實驗或是pH傳感器等難以進(jìn)行平行的對比實驗。鑒于課堂演示實驗現(xiàn)象不明顯、不易把控等問題，在學(xué)生親自實驗的基礎(chǔ)上，以化學(xué)軟件“Crocodile Chemistry”為工具，模擬多種類型的酸堿中和滴定，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、把握本質(zhì)，體驗不同類型中和反應(yīng)之間的不同。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；酸堿中和滴定；化學(xué)軟件；Crocodile Chemistry

文章編號：1005–6629（2017）2–0078–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)教學(xué)中也自然離不開實驗。在實驗過程中，學(xué)生可獲取直觀的感性認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，然后運用化學(xué)知識解決問題。由于中學(xué)化學(xué)實驗條件的限制，有些實驗現(xiàn)象不明顯，如酸堿滴定過程中pH的變化，強酸與強堿、強酸與弱堿在滴定過程中pH變化的差異等問題，給學(xué)生理解酸堿滴定的原理帶來了一定困難。

1 教材中酸堿中和滴定的實驗

“酸堿中和滴定”是一個探究性定量實驗，既是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點內(nèi)容，也是高考化學(xué)考查的熱點內(nèi)容。

圖1是酸堿中和滴定的實驗裝置示意圖，也是酸堿中和滴定實驗中最為經(jīng)典的實驗裝置。利用這一實驗裝置進(jìn)行課堂演示實驗，往往會出現(xiàn)以下問題：（1）難以把控滴定終點，容易出現(xiàn)失誤；（2）pH突躍時間短，無法重復(fù)呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生印象不深；（3）酸堿中和反應(yīng)有多種類型，如一元強堿和多元酸的反應(yīng)，強堿與弱酸或強酸與弱堿的反應(yīng)等。這些反應(yīng)的終點，以及達(dá)到反應(yīng)終點時所消耗的強酸或強堿的量與一元強酸強堿的反應(yīng)存在著何種不同，真實實驗難以給學(xué)生一個直觀的比較以促進(jìn)其理解，而這些反應(yīng)往往又是教學(xué)中的難點。

2 酸堿中和滴定實驗文獻(xiàn)分析研究

為應(yīng)對實驗教學(xué)的問題，產(chǎn)生了諸多新的實驗手段，如視頻實驗、手持技術(shù)、仿真實驗軟件等，給化學(xué)實驗教學(xué)帶來了生機。

李新義在“手持技術(shù)在酸堿中和滴定終點判定中的應(yīng)用”一文中[1]，利用溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器的實時檢測功能，借助數(shù)據(jù)采集器和計算機直接繪制數(shù)據(jù)曲線，便捷、直觀地反映出中和反應(yīng)過程中溫度和電導(dǎo)率的變化，并利用軟件技術(shù)找到酸堿中和滴定的終點，不僅減少了指示劑種類和濃度的誤差，而且避免了人為因素的干擾，彌補了中學(xué)教材準(zhǔn)確測定滴定終點方法的空缺，提高了測定的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。由于該實驗需要借助多種先進(jìn)儀器，一般學(xué)校難以配備，因而大范圍地推廣運用存在一定的困難。

魏銳等在“利用pH傳感器研究中和反應(yīng)過程中pH的突變”一文中[2]，利用pH傳感器的實時檢測功能，借助數(shù)據(jù)采集器和計算機直接生成數(shù)據(jù)曲線，便捷、直觀地反映了中和反應(yīng)過程中的pH變化，幫助學(xué)生認(rèn)識“突變”的存在，較好地促進(jìn)了學(xué)生的理解。但運用傳感器的實驗往往是針對一個中和反應(yīng)體系所進(jìn)行的，難以同時對不同類型酸堿中和滴定進(jìn)行實時對比，故而在體驗不同類型中和反應(yīng)之間的差異上存在一定的局限性。

鑒于上述問題，本文擬以英國公司開發(fā)的Crocodile Chemistry模擬實驗軟件為工具，設(shè)計與教材內(nèi)容相匹配的酸堿中和滴定系列實驗，給化學(xué)教學(xué)提供借鑒與參考。采用該實驗?zāi)M軟件，可以相對客觀而又理想化地模擬反應(yīng)進(jìn)程與關(guān)鍵節(jié)點，將不同反應(yīng)中所消耗的滴定酸或堿的量清晰地呈現(xiàn)出來，以便于學(xué)生理解酸堿滴定終點以及所消耗的酸與堿的量的比例關(guān)系，幫助學(xué)生在課堂上從宏觀和微觀兩個角度同時觀察反應(yīng)的現(xiàn)象與原理，從而引導(dǎo)學(xué)生深入思考、把握本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的分析能力[3，4]。

3 運用“Crocodile Chemistry”軟件模擬“強酸、弱堿中和滴定”的教學(xué)設(shè)計

[師]同學(xué)們，我們知道，酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)為：H++OH-=H2O，但是，這是否意味著所有的一元酸、一元堿在中和反應(yīng)時，當(dāng)酸堿的用量滿足1：1時，溶液恰好為中性呢？

[生]不一定吧！

[師]大家有疑問？想一想，有沒有什么好的解決辦法？

[生]用實驗來驗證一下最直接。

[師]大家的想法非常好，由于運用pH傳感器難以進(jìn)行平行的對比實驗，下面老師借助Crocodile Chemistry實驗軟件為大家模擬一下用0.01 mol/L HCl溶液以相同的速度同時滴定20mL 0.01 mol/L NaOH溶液與20mL 0.01 mol/L NH3·H2O溶液時溶液pH的變化，選用甲基橙為指示劑，請仔細(xì)觀察鹽酸的用量及兩者滴定終點之間的差異。

[生]認(rèn)真注視屏幕（圖2）。

[師]大家觀察到了什么？請說說看。

[生1]盛放氨水的燒杯率先變紅。

[生2]鹽酸與氨水反應(yīng)pH突躍的時間較氫氧化鈉早。

[生3]反應(yīng)到達(dá)終點的時間：氨水<氫氧化鈉。

[生4]反應(yīng)到達(dá)終點時鹽酸的用量：氨水<氫氧化鈉。

[師]大家說的都很對，讓我們把反應(yīng)的pH圖像放大（圖3），通過對比可以清楚地看到，用等濃度的HCl溶液以相同速率滴定等量的一元堿NH3·H2O和NaOH時，與氨水率先到達(dá)反應(yīng)終點，而且n（HCl）

[生]討論并提出一處關(guān)鍵區(qū)別：NH3·H2O為弱堿、NaOH為強堿。

[師]兩者區(qū)別在哪里？

[生] NH3·H2O為弱堿只能部分電離，NaOH為強堿，在溶液中完全電離。

[師]說的很好，但酸堿中和反應(yīng)的過程酸的加入促進(jìn)了氨水的電離，因此堿性的強弱并不影響反應(yīng)的產(chǎn)物與進(jìn)程；那原因到底在哪里呢？請再觀察圖像，看看還能發(fā)現(xiàn)點什么。

[生]反應(yīng)滴定終點的產(chǎn)物與兩者按1：1反應(yīng)的產(chǎn)物不同。

[師]怎么不同？說說看！

[生]當(dāng)HCl與NH3·H2O按1：1完全反應(yīng)后，溶液中溶質(zhì)應(yīng)為NH4Cl，從圖像上可以看出溶液的pH<7；但滴定達(dá)到終點時，用去的鹽酸小于20mL，產(chǎn)物應(yīng)為NH4Cl和NH3·H2O，溶液的pH=7；NH3·H2O顯堿性，是否意味著HCl與 NH3·H2O生成的鹽NH4Cl是顯酸性的。

[師]完全正確，在我們的印象中，大多數(shù)鹽溶液是顯中性的，比如NaCl、KNO3，但鹽溶液一定都顯中性嗎？

[生]不是，比如純堿Na2CO3，它不是堿而是鹽，但其水溶液顯堿性。

[師]說的很好，正是由于產(chǎn)物NH4Cl顯酸性，為使溶液顯中性，氨水需要有剩余，故而使得HCl消耗量減少，反應(yīng)到達(dá)終點的時間提前。

[師]事實上很多鹽的水溶液并不顯中性，可能呈酸性，可能呈堿性。下節(jié)課我們將深入學(xué)習(xí)鹽的組成與水解知識。

4 總結(jié)

通過上述實驗對比，可以發(fā)現(xiàn)，運用Crocodile Chemistry模擬本實驗的優(yōu)點在于：實驗過程可將宏觀反應(yīng)現(xiàn)象與微觀進(jìn)程相結(jié)合，有利于學(xué)生把握酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)，特別是在強酸、弱堿中和滴定以及強堿、弱酸中和滴定問題上有優(yōu)勢。

當(dāng)然，真實實驗給學(xué)生帶來的真實感受是模擬實驗永遠(yuǎn)無法實現(xiàn)的。不能完全以模擬實驗技術(shù)、錄像實驗等代替真實實驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新義.手持技術(shù)在酸堿中和滴定終點判定中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（6）：45～47.

[2]魏銳，包明，王磊，劉強，范林，宋萬琚，劉秀豐.利用pH傳感器研究中和反應(yīng)過程中pH的突變[J].化學(xué)教育，2007，（4）：59～61.

[3]曹晶偉，沈甸.化學(xué)軟件Crocodile Chemistry在“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（11）：20～22，26.

[4]蔡邦宏.功能強大的化學(xué)實驗?zāi)M軟件——Crocodile Chemistry 309 [J].計算機應(yīng)用與軟件，2007，（12）：128～129.