基于傳感器促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)鈉與水的反應(yīng)

吳琳潔

【摘 要】本實(shí)驗(yàn)利用傳感器測(cè)量鈉與水反應(yīng)過程中溫度和pH的變化，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更準(zhǔn)確、更有說服力。同時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的氣體。

【關(guān)鍵詞】鈉與水反應(yīng);傳感器;氫氣檢驗(yàn);實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

一、提出問題

鈉與水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，2017版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中課程內(nèi)容部分對(duì)“鈉與水的反應(yīng)”這一知識(shí)點(diǎn)做出了明確要求：結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉及其重要化合物的主要性質(zhì)。結(jié)合該學(xué)習(xí)要求，人教版、蘇教版、魯科版均采用在燒杯中加入一些水，滴入幾滴酚酞溶液，投入綠豆大的鈉塊來觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方案。該實(shí)驗(yàn)方案操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象十分明顯。但仍然存在著很多不足：一是鈉與水的反應(yīng)比較劇烈，又是在敞口的燒杯中進(jìn)行，所以要嚴(yán)格控制金屬鈉塊的大小，否則可能使生成的堿性溶液濺出，存在著一定的安全隱患。二是反應(yīng)中鈉塊在液面上四處游動(dòng)，推知有氣體產(chǎn)生，但是對(duì)于所生成的氣體種類，教學(xué)中多采用原子守恒的思想推斷得出，學(xué)生缺乏一定的感性認(rèn)知。三是在實(shí)際教學(xué)中，由鈉塊融成小球，推知反應(yīng)過程中放出熱量，但是溶液的溫度變化并不明顯。同時(shí)根據(jù)加入酚酞的溶液顏色由無色變?yōu)榧t色，可幫助學(xué)生理解有堿生成，較有說服力。但這兩點(diǎn)均缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐;因此筆者嘗試圍繞氣體的檢驗(yàn)、并借助于傳感器技術(shù)對(duì)鈉與水的實(shí)驗(yàn)做如下改進(jìn)。

二、實(shí)驗(yàn)過程

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室由數(shù)據(jù)采集器、系列傳感器和軟件構(gòu)成。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)到的信息，按一定規(guī)律變換成為其他形式輸出給數(shù)字采集器并通過電腦程序處理，形成具體的數(shù)據(jù)，便于我們來觀察和分析。本實(shí)驗(yàn)中我們使用普通溫度傳感器和pH傳感器來測(cè)量反應(yīng)過程中溶液溫度變化及pH變化，以反映實(shí)驗(yàn)的熱效應(yīng)及是否有堿生成。

1.實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

三頸燒瓶、玻璃導(dǎo)管、分液漏斗、蒸發(fā)皿、磁力攪拌器、普通溫度傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、鑷子、濾紙、玻璃片、小刀、大頭針。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按如圖組裝實(shí)驗(yàn)儀器，將普通溫度傳感器和pH傳感器分別固定好，調(diào)節(jié)位置確保探頭不要和攪拌磁子碰撞。連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器和pH傳感器。

（2）向三頸燒瓶中加入一定量的蒸餾水，用熱毛巾捂住三頸燒瓶底部，看到導(dǎo)管末端有氣泡產(chǎn)生，恢復(fù)到室溫后，導(dǎo)管末端形成一段水柱，證明裝置的氣密性良好。向三頸燒瓶中放入磁子，在橡膠塞內(nèi)部穿插一根針，同時(shí)在針尖部位固定一塊黃豆大小的金屬鈉，塞緊橡膠塞。

（3）打開電腦中Edis系統(tǒng)，用鼠標(biāo)選擇“選傳感器”，勾選“自動(dòng)識(shí)別傳感器”。選擇“采集參數(shù)”，彈出采集參數(shù)對(duì)話框，選擇“定頻率模式”，采樣速度選擇10點(diǎn)/秒。校準(zhǔn)pH傳感器。

（4）打開磁力攪拌器開關(guān)，點(diǎn)擊工具欄上“開始”按鈕進(jìn)行采集，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，拔掉橡膠塞上的大頭針，鈉塊進(jìn)入水中，觀察溶液中溫度和pH值變化的情況。

（5）當(dāng)肥皂水中有氣泡產(chǎn)生，用導(dǎo)管末端蘸取肥皂液，等氣泡長(zhǎng)大后，輕輕抖動(dòng)玻璃導(dǎo)管，觀察到氣泡向上飛走。待蒸發(fā)皿中產(chǎn)生較多氣泡時(shí)，用點(diǎn)燃的木條靠近氣泡。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊“停止”按鈕。右鍵點(diǎn)擊曲線區(qū)域“輸出”——“保存圖片”。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)中，可以看到鈉塊浮在水面上，發(fā)出“嘶嘶”響聲，熔成一個(gè)小球。

2.加入鈉塊之后，也就是采集數(shù)據(jù)的第42S，溶液的pH開始明顯增大，從7迅速上升到11，證明有堿生成;同時(shí)溫度開始升高，從18.3℃一直上升到21.5℃，說明鈉與水的反應(yīng)是放出熱量。

3.導(dǎo)管末端產(chǎn)生的氣泡上浮，說明氣體的密度比空氣小，用燃著的木條靠近，氣泡燃燒，聽到“噗”的爆鳴聲，可證明產(chǎn)生的氣體是氫氣。

四、實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

1.安全性高。鈉與水的反應(yīng)是在密閉的三頸燒瓶中進(jìn)行的，可以避免產(chǎn)生的堿液濺出傷人。當(dāng)產(chǎn)生較多氣體時(shí)，可將燒瓶?jī)?nèi)的液體排出到分液漏斗內(nèi)，防止壓強(qiáng)過大造成一定的安全隱患。產(chǎn)生的氣體在空氣中點(diǎn)燃，避免了因氫氣不純而爆炸的危險(xiǎn)。

2.趣味性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氫氣氣泡上升，及氫氣在空氣中燃燒瞬間產(chǎn)生的巨大火焰，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，給學(xué)生留下深刻的印象，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的學(xué)習(xí)潛能。

3.說服力強(qiáng)。利用傳感器將實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)出來，使結(jié)果更加準(zhǔn)確，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說服力，也為學(xué)生提供了一個(gè)新的視角，體驗(yàn)感更強(qiáng)。

總之，將傳感器技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，可以很好的促進(jìn)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解，幫助教師更好的突破教學(xué)重難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。