基于數字化實驗的“離子反應”探究

楊香濤 于琴 耿承勝

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摘要：利用pH傳感器，對強酸、強堿分別與cH3COONH4溶液反應前后溶液pH的變化進行探究，得到了不同實驗條件下pH隨時間變化的關系曲線圖，同時根據曲線圖分析得出了“在溶液中進行的化學反應，如果有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發生了反應”這一結論，并給出了本實驗的幾點啟示。

關鍵詞：數字化實驗;離子反應;pH傳感器;實驗探究

文章編號：1008-0546（2019）05-0083-04

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.026

一、問題提出

蘇教版教材《化學1》專題2第二單元“離子反應”（教材第55頁）一節中對離子反應有這樣一段描述“電解質在水溶液中的反應本質上是離子之間的反應。當離子間能結合生成難溶物質、難電離物質及易揮發物質時，反應就能進行。”一般而言，有難溶物質（沉淀）、易揮發性物質（氣體）或溶液有明顯顏色變化的反應，我們可以通過相關實驗現象來確定反應的發生，但是對于有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等）且無明顯現象的反應，我們則很難確定該類反應能否發生。為此，我們嘗試用pH傳感器來測定強酸、強堿分別與等體積的去離子水、CH3COONH4溶液混合前后溶液的pH，并通過分析溶液的pH隨時間變化的曲線圖得出如下結論——在溶液中進行的化學反應，如果有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發生了反應。

三、實驗探究

1.實驗用品

pH傳感器、數據采集器、筆記本電腦、50mL注射器、磁力攪拌器、燒杯、50mL量筒、膠頭滴管、洗瓶、100mL容量瓶、電子天平、濾紙等。

2.實驗藥品

0.100mol·L^-1鹽酸、0.100mol·L^-1NaOH溶液、0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液、去離子水等。

3.實驗步驟

（3）按圖1連接好實驗裝置，將數據采集器與電腦連接，并進行調試（數據采集器設置為1s測定10個數據，測定時間為80s），向燒杯1中加入50mL 0.100mol·L^-1鹽酸，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯1的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL去離子水，用pH傳感器測定混合前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖2所示）。

（4）向燒杯2中加50mL 0.100mol·L^-1鹽酸，同樣用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯2的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL 0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH傳感器測定反應前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖3所示）。

實驗二NaOH溶液與CH3COONHa溶液反應前后溶液的pH變化探究

（1）準確配制0.100mol·L^-1NaOH溶液和0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液各100mL備用。

（2）首先標定pH傳感器，然后用pH傳感器分別測定0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液的pH和去離子水的pH（如表1所示）。

（3）按圖1連接好實驗裝置，將數據采集器與電腦連接，并進行調試（數據采集器設置為1s測定10個數據，測定時間為80s），向燒杯3中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯3的溶液中，邊攪拌邊滴加50mL去離子水，用pH傳感器測定混合前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖4所示）。

（4）向燒杯4中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去離子水沖洗pH傳感器，并用濾紙吸干pH傳感器表面的去離子水，然后將pH傳感器置于燒杯4的溶液中，啟動磁力攪拌器，邊攪拌邊滴加50mL0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH傳感器測定反應前后溶液的pH，得到pH隨時間變化的曲線圖（如圖5所示）。

綜上所述，根據強酸、強堿分別與CH3COONH4溶液反應前后溶液的pH隨時間變化的曲線圖可知，在溶液中進行的化學反應，如果有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發生了反應。

五、實驗啟示

本實驗借助數字化傳感技術的直觀演示使學生感受到傳統實驗不能觀察到的實驗現象，有利于學生理解離子反應發生的條件，達到了快速突破教學難點、優化教學過程及提高教學效率的目的。同時通過本實驗的探究可以看出，數字化實驗對中學化學實驗教學具有諸多啟示作用。

1.數字化實驗增強了實驗的直觀性和趣味性

數字化實驗與傳統的實驗相比，因其操作相對簡單，實驗結果通常以動態的曲線圖呈現于電腦的屏幕上，有較強的可視性，同時可以引發學生的學習興趣。所以說，數字化實驗更具有直觀性和趣味性，能夠觸動學生的探究欲望，數字化傳感技術實驗的引入可以通過計算機直觀地觀察到實驗數據變化過程，讓學生更加容易理解化學反應的本質和過程。

2.數字化實驗有助于學生化學信息素養的培養

“2019年江蘇省普通高中學業水平測試（選修科目）說明化學科”明確要求：能夠通過對自然界、生產、生活和科學實驗中化學現象，以及相關模型、數據和圖形等的觀察，獲取有關的感性知識，并運用分析、比較、概括、歸納、推理等方法對所獲取的信息進行初步加工和應用。從上述江蘇高考考查要求可以看出，培養學生的化學信息素養，尤其是培養學生在科學實驗中獲取信息的能力是高考考查的重要方面。本實驗就是在數字化傳感技術的幫助下，讓學生結合實驗所得曲線圖中的數據這一信息，主動運用分析、比較、概括、歸納等方法進行加工和理解，并運用所獲取的信息分析解決相關化學問題，很好地培養了學生的化學信息素養，切合了江蘇高考的要求，為學生化學信息素養的培養提供了一條全新的途徑。

3.數字化實驗有助于學生化學核心素養的培養

教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了高中學生應該具備的化學核心素養有“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”“科學精神與社會責任”等五個方面，數字化實驗有助于培養學生證據推理與模型認知、實驗探究與創新意識等方面的能力與素養。

如對“證據推理與模型認知”的培養，我們可以通過上述數字化實驗得到關于“離子反應”中相關溶液的pH隨時間變化的曲線圖，為學生證實溶液中確實有離子發生反應提供了證據，不僅培養了學生的證據意識，而且還讓學生能在上述證據的基礎上提出可能的假設——“在溶液中進行的化學反應，如果有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），離子之間便發生了反應。”，最后學生通過對上述證據的分析推理，證實給出假設的正確性，同時幫助學生通過分析、推理的方法認識離子反應的本質特征、構成要素及其相互關系，從而揭示離子反應的本質和規律。

再如對“實驗探究與創新意識”的培養，我們可以通過上述數字化實驗幫助學生建立科學探究的一般思路和方法：首先，認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動;接著引導學生發現和提出有探究價值的問題：在溶液中進行的化學反應，如果有難電離物質生成（如水、能溶于水的弱酸或弱堿等），如何確定離子之間發生了反應;然后，要求學生能從問題和假設出發，確定探究目的，設計探究方案，進行實驗探究;最后引導學生不斷地反思自己的探究過程，積極發現探究過程中的不足，并不斷修正自己的錯誤，最終形成科學的探究方案。

當然，數字化實驗較傳統的實驗更能培養學生的觀察能力、思維能力、信息的提取及加工的能力、證據推理與模型認知能力、實驗探究與創新能力等等，為我們中學化學實驗教學提供了一種新穎的教學方法與手段。