利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩(wěn)定性

周朝暉 后勇軍

摘要：實(shí)驗(yàn)是獲取化學(xué)感性認(rèn)識的源泉，是理性認(rèn)識的支架。在教學(xué)中設(shè)計(jì)數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩(wěn)定性，通過宏微結(jié)合和曲線表征，幫助學(xué)生直觀地理解和構(gòu)建知識，落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：傳感器? 氯水? 穩(wěn)定性? 曲線表征? 核心素養(yǎng)

一、問題的提出

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是獲取化學(xué)感性認(rèn)識的源泉，是理性認(rèn)識的支架。氯氣與水反應(yīng)是人教版高中化學(xué)必修1第四章第二節(jié)的主要內(nèi)容。為了幫助學(xué)生認(rèn)識氯水的漂白性，教材中設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)4-4和4-5兩個(gè)對比實(shí)驗(yàn)（如圖1），該實(shí)驗(yàn)可以宏觀表征：A廣口瓶中有色布條不褪色，B廣口瓶中有色布條褪色。學(xué)生容易獲取新知：干燥的氯氣沒有漂白性而新制的氯水有漂白性，進(jìn)而較易理解新制的氯水的漂白性是氯氣與水反應(yīng)生成的新物質(zhì)——次氯酸（HClO）具有漂白作用。

次氯酸雖然是一元弱酸，但具有強(qiáng)氧化性和不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)資料顯示：在25 ℃時(shí)，1 L水約溶解2 L氯氣達(dá)到飽和，可以粗略計(jì)算氯水的物質(zhì)的量濃度約為0.0921 mol/L。當(dāng)氯氣溶于水時(shí)，少部分氯氣會跟水發(fā)生反應(yīng)，并很快達(dá)到化學(xué)平衡：Cl2+H2OHCl+HClO。根據(jù)此反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.2×10-4，可以計(jì)算出各物質(zhì)的平衡濃度：

c（Cl2）=0.062 mol/L，c（HClO）=0.030 mol/L，c（HCl）=0.030 mol/L。

可知氯水中各成分濃度較小，又因?yàn)闈舛仍酱蟮穆人葰獾臄U(kuò)散越慢，氯氣的溶解能力越差。因此，通常所用的氯水實(shí)際上是不容易達(dá)到飽和，各成分的實(shí)際濃度比理論值要低，新制氯水中次氯酸（HClO）的濃度偏小，在光照條件下分解導(dǎo)致氯氣與水反應(yīng)的化學(xué)平衡移動(dòng)較慢，短時(shí)間內(nèi)肉眼很難觀察到因溶液中氯氣濃度變小而引起的溶液顏色的變化。次氯酸分解引起的溶液pH變化的數(shù)值也很小，用常規(guī)的檢測方法不能檢測。因此，教材中對次氯酸的不穩(wěn)定性沒有設(shè)置驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，而是直接給出了次氯酸分解的化學(xué)反應(yīng)方程式。學(xué)生在觀察新制的氯水時(shí)，短時(shí)間內(nèi)無法觀察到明顯的變化，造成學(xué)生分析和理解新制氯水與久置氯水成分的差異時(shí)產(chǎn)生認(rèn)知困難。在實(shí)際教學(xué)中，筆者設(shè)計(jì)了數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩(wěn)定性，通過宏微結(jié)合和曲線表征，幫助學(xué)生直觀的理解和構(gòu)建知識。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

氯水中次氯酸在光照或加熱條件下會發(fā)生分解反應(yīng)生成鹽酸和氧氣，引起溶液的pH值和容器內(nèi)氧氣的濃度發(fā)生微弱變化。為了讓pH數(shù)據(jù)和氧氣濃度可視化，在實(shí)驗(yàn)中引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，借助pH和氧氣傳感器，同時(shí)導(dǎo)出新制的氯水在光照或加熱條件下容器內(nèi)氧氣濃度和溶液的pH值隨時(shí)間變化的圖像。通過曲線表征中的數(shù)據(jù)的變化，推斷溶液中發(fā)生的反應(yīng)，進(jìn)而預(yù)測久置的氯水成分與新制的氯水成分的不同。

三、實(shí)驗(yàn)用品和裝置

1.實(shí)驗(yàn)用品：氧氣傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、三頸瓶、飽和氯水、手電筒、熱毛巾等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置：如圖2。

四、實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象分析

（一）在光照條件下

（1）實(shí)驗(yàn)步驟：按圖2裝置組裝儀器，向三頸瓶中加入150 mL飽和氯水，連接好數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器和pH傳感器，打開應(yīng)用軟件，用兩個(gè)手電筒照射三頸瓶中的飽和氯水，點(diǎn)擊氧氣傳感器和pH傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察溶液的pH變化和三頸瓶中氧氣變化。實(shí)驗(yàn)中曲線變化如圖3所示。

（2）現(xiàn)象分析：

由圖像可知：隨著時(shí)間的推移，氯水顏色變淺，溶液的pH值減小，由2.33逐漸變?yōu)?.32，氧氣含量增大，由14.92%逐漸變?yōu)?4.97%，可以證明氯水中發(fā)生反應(yīng)：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在光照條件下發(fā)生分解反應(yīng)，其符號表征為：2HClO光照2HCl+O2↑，獲得認(rèn)知模型：氯水在光照條件下不穩(wěn)定。圖像中實(shí)驗(yàn)起始時(shí)pH變化較快，后來較慢，這與次氯酸的濃度變化有關(guān)。隨著次氯酸的分解，次氯酸的濃度不斷降低，分解速率就不斷減慢。

（二）在加熱條件下

（1）實(shí)驗(yàn)步驟：按圖2裝置組裝儀器，向三頸瓶中加入150 mL飽和氯水，連接好數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器和pH傳感器，打開應(yīng)用軟件，用熱毛巾（40～50 ℃）敷在三頸瓶外壁，點(diǎn)擊氧氣傳感器和pH傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察溶液的pH變化和三頸瓶中氧氣變化。實(shí)驗(yàn)中曲線變化如圖4所示。

（2）現(xiàn)象分析：

由圖像可知：用熱毛巾加熱三頸瓶時(shí)，隨著時(shí)間的推移，氯水顏色變淺，三頸瓶中氧氣含量逐漸增大，同時(shí)溶液的pH值逐漸減小，證明氯水中發(fā)生反應(yīng)：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在加熱條件發(fā)生分解反應(yīng)，其符號表征為：2HClO△2HCl+O2↑，獲得認(rèn)知模型：氯水在加熱條件下不穩(wěn)定。

五、實(shí)驗(yàn)效果和啟示

（一）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將緩慢反應(yīng)過程可視化，有效突破教學(xué)難點(diǎn)。由于氯水中次氯酸濃度很小，次氯酸分解導(dǎo)致氯水的成分發(fā)生微弱變化，其宏觀現(xiàn)象不明顯。利用pH傳感器和氧氣傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，把現(xiàn)象不明顯的化學(xué)反應(yīng)過程以曲線的形式顯示出來，不僅有利于學(xué)生直觀地對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，還有利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析處理。學(xué)生通過觀察溶液的pH值不斷變小、同時(shí)容器內(nèi)氧氣的濃度不斷增大，很快推測出次氯酸在光照或加熱等條件分解生成了強(qiáng)酸（鹽酸）和氧氣，理解了次氯酸的不穩(wěn)定性。進(jìn)而預(yù)測：隨著時(shí)間推移，氯水中次氯酸不斷分解，導(dǎo)致溶液中的氯氣不斷與水反應(yīng)，最終溶液變?yōu)橄←}酸，通過多重表征分析和推理自主建構(gòu)了認(rèn)知模型，學(xué)生總結(jié)和歸納出新制的氯水和久置的氯水成分的差異性圖（如圖5）。

（二）通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析處理，引導(dǎo)學(xué)生分析解決實(shí)際問題。學(xué)生理解掌握了次氯酸不穩(wěn)定的性質(zhì)后，教師啟發(fā)學(xué)生思考如下問題：在實(shí)驗(yàn)室中如何使用和存放氯水？如何讓氯水的漂白性更持久？學(xué)生通過交流，借助宏微結(jié)合，運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行推理、遷移，最終理解掌握新的知識點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)室使用的氯水要新制，且在棕色瓶中避光保存。（2）氯水雖然有很好的漂白性，由于次氯酸的不穩(wěn)定性，難以保存，使用起來很不方便，效果也不理想[1]。為了增強(qiáng)穩(wěn)定性，科研工作者經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)：將氯氣通入氫氧化鈉溶液中獲得常用的漂白液，其有效成分是次氯酸鈉（NaClO）;也可以將氯氣通入冷的Ca（OH）2中制得較穩(wěn)定的漂白粉，它的有效成分是次氯酸鈣[Ca（ClO）2]。漂白液和漂白粉可用作環(huán)境的消毒劑，也可作漂白棉、麻、紙張的漂白劑，讓學(xué)生感知化學(xué)的價(jià)值，學(xué)以致用。

（三）在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，適時(shí)引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)傳感器，借助曲線表征，將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，可以使一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法觀察的現(xiàn)象可視化，微小的變化放大化。利用圖像中的曲線變化，開展小組討論，引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅可以幫助學(xué)生解決生活中的化學(xué)問題，而且能激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的好奇心和興趣，拓展學(xué)生的視野，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識，真正落實(shí)在課堂教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書.化學(xué)必修1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：8485.