弱電解質在水溶液中存在電離平衡的實驗探究新設計

陳云 林軍

摘要： 依據弱電解質在水溶液中存在電離平衡的原理，運用LED燈、有源一體蜂鳴機、有關玻璃儀器以及手持技術改進傳統實驗。采用LED燈和有源一體蜂鳴機設計溶液導電性實驗，利用CO2傳感器和pH傳感器探究碳酸鈣與醋酸、鹽酸反應，從溶液pH、 CO2濃度的變化速率和平衡移動三個角度同時說明醋酸溶于水后CH3COOH分子部分電離出CH3COO-和H+， CH3COOH在水溶液中的電離過程是一個可逆過程，醋酸溶于水后存在電離平衡。

關鍵詞： 弱電解質溶液; 電離平衡; 實驗探究

文章編號： 10056629（2019）7006804中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

蘇教版《化學反應原理》專題3“溶液中的離子反應”第一單元“弱電解質的電離平衡”中設計了如下的活動與探究： （1）測量物質的量濃度均為0.10mol/L的醋酸和鹽酸的pH。用pH試紙分別測定溶液的pH，然后與標準比色卡比較，觀察發現同濃度的醋酸和鹽酸，醋酸的pH大于鹽酸;（2）在兩只錐形瓶中分別加入等體積、物質的量濃度均為1mol/L的醋酸和鹽酸，在兩個氣球中分別加入經砂紙打磨過的表面積相同的鎂條，然后將氣球套在錐形瓶口，同時將氣球中的鎂條送入錐形瓶中，觀察、比較氣球鼓起的快慢等現象。實驗現象表明套在鹽酸與鎂條反應的錐形瓶口的氣球鼓起較快，最終與醋酸的氣球鼓起大小相同。

學生在對實驗現象分析過程中可能會有以下疑惑： 除了pH和反應速率比較，是否有其他實驗可以證明醋酸在水溶液中的電離情況呢？氫離子濃度不同，溶液的pH必然不同，與鎂條反應速率也必然不同，這些都是可以直接推測出來的現象，是否有一些值得學生深度思考的實驗設計呢？如何理解醋酸在水溶液中是部分電離，即醋酸的電離是一個可逆的過程呢？是否可以用實驗證明？

傳統實驗一般利用瓶瓶罐罐探究，可以從宏觀角度幫助學生理解一些問題，但是往往存在一些不足。新課程標準鼓勵教師開發利用新技術、新方法輔助教學，進而幫助學生理解學習過程中的疑難性問題。

2 弱電解質在水溶液中存在電離平衡的實驗探究

2.1 實驗原理

醋酸是一種弱電解質，溶于水后，在水分子的作用下，CH3COOH分子電離成H+和CH3COO-;同時，一部分CH3COO-和H+又結合成CH3COOH分子。因此，CH3COOH在水溶液中的電離過程是一個可逆過程。因此，醋酸在水溶液中存在電離平衡，其電離過程可表示為： CH3COOHCH3COO-+H+。

本實驗從兩個角度設計實驗分析醋酸在水溶液中存在電離平衡：

（1） 為驗證相同濃度的醋酸、鹽酸的電離程度不同影響溶液中離子的濃度，設計溶液導電性實驗，通過LED燈的明亮程度和個數以及有源一體蜂鳴機的聲音大小證明離子濃度不同。

（2） 為驗證醋酸在水溶液中的電離是一個可逆的過程，設計利用pH傳感器和CO2傳感器，測定在一個密閉容器中，碳酸鈣分別與醋酸、鹽酸反應過程中CO2濃度變化以及溶液中氫離子濃度變化。通過真實數據清晰地從宏觀和微觀兩個角度作具體說明。

2.2 實驗藥品與儀器

實驗儀器： 計算機、Logger Pro 3（軟件）、數據采集器、pH傳感器、CO2傳感器、78磁力加熱攪拌器（江蘇六鑫科教儀器設備有限公司）、天平、免焊式電路板、9V碳性電池、LED燈、有源一體蜂鳴機、導線、鐵絲、滴管、磁力攪拌子、三頸燒瓶、鐵夾、50mL燒杯實驗藥品： 碳酸鈣、0.05mol/L CH3COOH溶液、0.05mol/L HCl溶液、0.1mol/L CH3COOH溶液、0.1mol/L HCl溶液

2.3 實驗裝置及操作要點

（1） 溶液導電性實驗裝置： 實驗以白色展板為背景，用免焊式電路板將9V碳性電池、LED燈、有源一體蜂鳴機連接并與溶液串聯，將導線穿過滴管制作成電極，比較溶液的導電性強弱。當有電流通過時，LED燈會亮起來，有源一體蜂鳴機會發出聲音，若電流過小則沒有聲音。電路中的電流大小不同，觀察到LED燈亮的數目和明亮程度不同，有源一體蜂鳴機發出聲音的大小不同，以此來判斷電解質溶液導電性的強弱。實驗裝置如圖1。

（2） 碳酸鈣與鹽酸、醋酸反應實驗中添加固體裝置的制作： 將橡皮塞依據導管外徑大小打孔，注意打到橡皮塞的一半處，不打通。將玻璃管插入孔中，再將鐵絲穿過玻璃管。可稱量一定質量的固體置于紙槽中，再倒入玻璃管中，用保鮮膜密封，注意不能將保鮮膜弄破。實驗開始時，用鐵絲戳破保鮮膜，固體進入溶液發生反應。

三頸燒瓶三個口分別插入添加固體裝置、二氧化碳傳感器以及pH傳感器，瓶內放入一顆磁力攪拌子，在三頸燒瓶下方放置磁力攪拌器。實驗裝置如圖2。

2.4 實驗過程

2.4.1 實驗探究1

分別取25mL 0.1mol/L HCl溶液和25mL 0.1mol/L CH3COOH溶液于兩只50mL燒杯中，先將電極伸入HCl溶液中，觀察、記錄實驗現象;取出電極，用蒸餾水沖洗干凈并擦干，再將電極伸入CH3COOH溶液中，觀察、記錄實驗現象。

2.4.2 實驗探究2

用USB數據線將計算機與數字采集器連接起來，將pH傳感器、CO2傳感器連接到數據采集器上。取50mL 0.05mol/L HCl溶液于三頸燒瓶中，放入磁力攪拌子，用天平稱量0.5g的碳酸鈣固體粉末（過量）裝入添加固體裝置中，用保鮮膜封好，并按照圖2搭好實驗裝置。打開磁力攪拌器，點擊數據采集，再將添加固體裝置的保鮮膜戳破，使碳酸鈣固體全部加入到HCl溶液中。觀察曲線變化情況。取50mL 0.05mol/L CH3COOH溶液重復以上操作。

數據圖像縱軸選擇pH和CO2濃度（ppm），橫軸選擇時間（s），開啟儀器采集數據，觀察溶液pH和CO2濃度隨時間變化情況。實驗結果如圖3、圖4所示。

① 0.05mol/L HCl溶液（pH）

② 0.05mol/L CH3COOH溶液（pH）

③ 0.05mol/L HCl溶液（CO2）

④ 0.05mol/L CH3COOH溶液（CO2）

2.5 結果與討論

（1） 實驗探究1觀察到，電極伸入醋酸溶液中LED燈部分明亮，有源一體蜂鳴機不響;電極伸入鹽酸溶液中LED燈明亮的個數比醋酸多，且有源一體蜂鳴機響。說明相同濃度的鹽酸與醋酸溶液，HCl電離出的H+濃度大于醋酸電離出的H+濃度，HCl的電離程度大于CH3COOH。已知HCl是完全電離，則醋酸是部分電離出H+和CH3COO-。

（2） 由圖3曲線①和②初始pH數值可以看出0.05mol/L CH3COOH溶液的pH大于0.05mol/L HCl溶液，依據HCl完全電離出H+，說明CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-。

由圖4曲線③和④可以看出隨著反應的進行，密閉容器中CO2的濃度逐漸上升，密閉容器中碳酸鈣與鹽酸反應生成的CO2濃度上升速率大于醋酸溶液。濃度是化學反應速率的影響因素之一，溶液中H+濃度越大，與碳酸鈣反應速率越快。實驗數據說明醋酸溶液中H+濃度小于鹽酸中H+濃度，進一步證明了CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-。

由圖3曲線①和圖4曲線③可以看出，隨著碳酸鈣與鹽酸反應的進行，溶液中H+濃度逐漸減小，生成CO2速率逐漸降低，當H+反應完全，密閉容器中CO2濃度基本不再發生變化。說明H+消耗完全后，不再生成CO2。

由圖3曲線②和圖4曲線④可以看出，碳酸鈣與醋酸溶液反應，初始一段時間CO2濃度上升較快。隨著反應的進行，溶液中H+濃度減小且基本不再發生變化，而CO2濃度雖然上升較慢，但是仍然在不斷生成。反應初始時速率較快主要是由于初始時與碳酸鈣反應的是醋酸溶液中原有的H+;隨著碳酸鈣與醋酸反應的進行反應速率逐漸降低，是由于溶液中H+濃度逐漸減小;經過一段時間后，溶液中H+濃度不再發生變化，而CO2仍然在持續產生，依據勒夏特列原理，溶液中H+逐漸減少，平衡向抑制H+逐漸減少的方向移動，即平衡向CH3COOH分子電離出H+的方向移動，不斷補充由于H+消耗而減小的濃度，從而保證反應不斷持續進行，且pH基本保持不變。從平衡移動的角度說明CH3COOH溶于水后部分電離出H+和CH3COO-，并且存在電離平衡。

2.6 結論

本實驗借助LED燈和有源一體蜂鳴機來判斷溶液導電性的強弱;利用有關玻璃儀器以及手持技術，通過觀察在密閉容器內CO2濃度、溶液pH隨著時間的變化曲線，從pH、 CO2濃度的變化速率和平衡移動三個角度同時說明醋酸溶于水后CH3COOH分子部分電離出CH3COO-和H+，即醋酸溶于水后存在電離平衡。

3 反思與啟示

在具體的教學實踐中，很多概念和規律都很抽象，常規教學手段有時很難突破教學難點。弱電解質溶于水存在電離平衡是化學反應原理中較為抽象的知識點之一。有趣的實驗現象、新技術的運用不僅可以活躍課堂氣氛，還能化抽象為直觀，易使學生理解所學內容，突破教學難點，從而優化課堂教學效果。

溶液導電性實驗的設計，利用生活中可以找到的物品來改進實驗，將化學和手工制作結合在一起，無形中體現了實驗的生活化，拉近了學生與實驗之間的距離，提高了學生學習化學的興趣[1]。借助LED燈和有源一體蜂鳴機來判斷電解質導電性的強弱，既增加了趣味性，又體現了將抽象知識具體化的思想，便于學生記憶和掌握。溶液導電實驗應用在初、高中化學教學中，既能作為演示實驗也能作為學生實驗。數字化實驗利用雙傳感器進行實驗探究，將無法用肉眼清晰觀察到的現象轉化為可視化的數據展示出來，以表征溶液中微粒的濃度變化，進而研究醋酸在水中的電離過程，該方法更直觀、更精確、更數字化。圖像分析過程中發現，該實驗設計可以同時從三個不同角度驗證弱電解質的電離平衡，充分體現了該實驗裝置的內涵及其價值。

本實驗兩個裝置不僅可以用于弱電解質的電離平衡的教學中，還可以運用于其他方面。如溶液導電性實驗裝置還可以設計成電解質與非電解質判斷實驗、氨氣溶于水的性質實驗等;如數字化實驗碳酸鈣與鹽酸反應可以改成化學反應速率模塊的實驗，從溶液中反應物H+濃度的下降速率和密閉容器中CO2濃度的上升速率兩個角度說明化學反應速率的概念。一個裝置多種用途，充分體現了本實驗設計的功能性價值。

實驗過程中發現有以下幾方面可作進一步設想。

（1） 真實情境實驗設計。化學新課程標準中不斷提到教師在選擇教學素材時最好選用與生產、生活相關的案例進行分析。設計弱電解質的電離平衡時，在素材選擇上陷入了困境，很難找到一個學生熟悉的生活中的問題進行探究。是否可以從生活、生產實踐中找一個真實案例進行實驗設計研究呢？

（2） 改進實驗裝置的應用。本實驗設計中的兩個實驗在我校化學組教師教學中引起了較好的反響，充分說明實驗改進后能很好地幫助教師在突破教學難點時起到積極的作用，意義不再是改進后的實驗裝置本身，而是其應用價值。本實驗設計除了本文中提到的相關應用，是否還可以運用于其他實驗教學中呢？

（3） 平衡移動的實驗設計。數字化實驗設計中平衡移動理論是建立在學生已經學習了化學平衡的知識基礎上進行分析的[2]，但是移動的方向是CH3COOH電離出H+和CH3COO-的方向，逆向的設計呢？能否再作進一步改進？因此后續工作還有很多，需要不斷探究。

參考文獻：

[1]馬善恒， 夏建華， 姚如富. 運用數字化實驗探究氯水中化學平衡的存在[J]. 化學教學， 2017， （7）： 71～73.

[2]李妍. 淺談手持技術在“弱電解質的電離平衡”教學中的功能[J]. 中學化學教學參考， 2016， （1）： 69.