溶液配制中洗滌操作的實驗探究

馬力 趙雯 呂春輝

摘要： 借助氯離子數字化傳感器，對配制一定物質的量濃度的溶液實驗中洗滌2～3次操作的實際效果進行實驗探究，發現第一次洗滌并轉移能夠將絕大部分溶液殘留轉移，洗滌2次并轉移則能夠基本將溶液殘留完全轉移，定量且直觀地驗證了教材中“需用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒2～3次”的實驗要求，證據性強，易于學生理解。此外，通過對使用不同容積的燒杯以及不同溶解用水量等因素的探究，得出配制一定物質的量濃度的溶液的實驗中燒杯內溶液的殘留主要與燒杯和溶液的接觸面積等因素有關。

關鍵詞： 物質的量濃度; 溶液配制; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）02007104

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在必修課程主題1“化學科學與實驗探究”中將配制一定物質的量濃度的溶液列為了學生必做實驗[1]。人教版[2]、魯科版[3]、蘇教版[4]、滬科版[5]四個版本教材均不約而同地將配制一定物質的量濃度的溶液作為高中學生首個必做實驗，其重要程度可見一斑。而作為高中學生首個必做實驗，其承載的并不單單是實驗本身的，還有初高中銜接、定性到定量思維融合等更深層次的教學意義。在四個版本的教材中，人教版、蘇教版、滬科版均在實驗操作步驟中提到了“用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒2～3次”;魯科版則是以留白的方式要求學生“將溶解后的溶質全部轉移到容量瓶中”;人教版、滬科版更是在實驗的問題討論中要求學生思考“用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒2～3次”的原因。

為什么要用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒？通過簡單推理似乎并不困難，學生也能較輕松地去理解轉移時溶液殘留的問題。但為什么需要洗滌的次數為2～3次，不僅僅是學生理解存在困難，教師往往也只能憑借經驗進行講解。由于配制一定物質的量濃度的溶液作為學生在高中階段接觸到的第一個定量實驗，能否通過定量的手段說明需要洗滌2～3次的原因，從而培養學生的定量思維，值得我們思考。通過查閱文獻，筆者發現對此類問題的定量研究極少，基于此，筆者進行了以下的實驗設計及探究。

2 實驗設計及探究

2.1 實驗設計

在本實驗的設計過程中，考慮到由于在配制一定物質的量濃度的溶液實驗中存在多個環節可能造成實驗誤差，以及數字傳感器量程限制的問題，因此在本實驗中主要通過檢測每次洗滌燒杯內壁和玻璃棒后的洗滌液中氯離子濃度，從而從數字化角度直觀展現轉移時溶液殘留等問題，幫助學生更好地理解洗滌2～3次操作的相關意義。

實驗采用Vernier無線氯離子傳感器（量程1～35000mg/L）對洗滌液中氯離子濃度進行測定。實驗中將Vernier無線氯離子傳感器通過鐵架臺予以固定（如圖1所示），由升降臺升降盛有洗滌液的燒杯進行測定，從而盡可能避免手持傳感器不夠穩定而造成測量數據的偏差。

鑒于各版本教材對配制一定物質的量濃度的溶液實驗的要求存在細微差異，如人教版中要求配制100mL 1.00mol/L NaCl溶液，滬科版中則是要求配制100mL 1.000mol/L NaCl溶液，魯科版中要求配制100mL 0.400mol/L NaCl溶液，蘇教版則是要求配制100mL 0.100mol/L Na2CO3溶液。四個版本的教材只有人教版對溶解固體溶質的蒸餾水體積規定為40mL，其他版本的教材僅僅是提及用適量蒸餾水進行溶解，滬科版、蘇教版教材還對溶解過程中使用燒杯的規格定為100mL等。因此在本實驗的探究中，選擇以配制氯化鈉溶液為例，并綜合溶解度等多方面因素的考慮，選取溶解時使用不同規格燒杯（50mL、 100mL）、溶解時加入不同體積蒸餾水（40mL、 30mL、 20mL）、配制不同濃度溶液（1.000mol/L、 0.400mol/L），分別對3次洗滌后洗滌液中氯離子的濃度進行檢測。此外，實驗中為了確保NaCl完全溶解，在肉眼觀察到NaCl固體完全溶解后，均靜置5分鐘，再進行轉移、洗滌、測量等操作。洗滌時控制每次蒸餾水用量均為15mL，并盡可能保證每次洗滌的方式、頻率、時間一致。

2.2 實驗分析與結果

2.2.1 多次洗滌后洗滌液中氯離子濃度的變化

由于燒杯中溶液在轉移后，殘留在燒杯中溶液的量存在一定的隨機性，會導致測量結果存在較大差異，因此本實驗過程中則以轉移至燒杯中不存在肉眼可見的明顯液滴后再進行洗滌測量，并通過三次平行實驗以減小誤差。實驗中對燒杯的潔凈程度要求較高，不夠潔凈的燒杯也往往會存在較多溶液掛壁的現象，導致測量結果差異較大。表1為配制1.000mol/L與0.400mol/L NaCl溶液（選用100mL燒杯），均加入40mL蒸餾水溶解后，各用15mL蒸餾水洗滌三次時，每次洗滌液中氯離子濃度的變化情況。

通過分析表1數據不難發現，無論是配制1.000mol/L還是0.400mol/L的NaCl溶液，第一次洗滌后洗滌液中氯離子濃度均較高，而第二次洗滌后洗滌液中氯離子濃度則大幅下降，均維持在個位數，可見第一次洗滌能夠大幅度減少溶液殘留。由于本次實驗中選用的Vernier無線氯離子傳感器，其量程為1～35000mg/L，當3次洗滌后洗滌液中氯離子濃度已降至傳感器最低量程1mg/L以下，故記錄為低于傳感器最低量程1mg/L。由此也可以得出，用15mL水洗滌1次并轉移時已能將絕大部分溶液殘留轉移，洗滌2次并轉移則能夠基本將溶液殘留完全轉移。當然如若在前述溶液轉移過程中存在較多溶液掛壁現象以及洗滌時可能存在加入蒸餾水較少等情況，洗滌3次并轉移則可以有效保證溶液殘留完全轉移。可見，教材中規定的用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒2～3次，是有科學道理的。

2.2.2 溶解時加入不同體積蒸餾水對溶液殘留的影響

人教版對溶解固體溶質的蒸餾水體積規定為40mL，其他版本的教材則僅僅是提及用適量蒸餾水進行溶解。那么溶解時加入不同體積蒸餾水對溶液殘留又會有怎樣的影響呢？考慮到氯化鈉的溶解度，選擇溶解時分別加入40mL（實驗數據見2.2.1表1第一行）、30mL、 20mL蒸餾水進行實驗。表2為配制1.000mol/L NaCl溶液（選用100mL燒杯）加入不同體積蒸餾水溶解，靜置5分鐘后再進行轉移，并各用15mL蒸餾水洗滌3次時，每次洗滌液中氯離子濃度的情況。

結合表1配制1.000mol/L NaCl溶液加入40mL蒸餾水溶解、洗滌后對應測得的數據，以及表2加入30mL、 20mL蒸餾水溶解、洗滌后對應測得的數據進行分析，可以發現溶解時加入不同體積的蒸餾水確實對溶液殘留存在影響。但是有趣的是，隨著溶解水量的減少，洗滌液中的氯離子濃度也隨之減小。這與我們預想的因為溶解所用水量少，使得殘留溶液的濃度高，從而導致測得洗滌液中的氯離子濃度高，并不一致。分析其原因則可能是當溶解加入蒸餾水量較少時，其溶液與燒杯的接觸面積相對較小，溶液殘留也相對較少，從而導致洗滌后洗滌液中的氯離子濃度相對較小。

而通過表1、表2中的相關數據，我們似乎可以得出在配制1.000mol/L NaCl溶液的實驗中加入20mL蒸餾水進行溶解，其溶液殘留相對較少，但是我們也可以發現在多次洗滌后，原來溶解時加入不同體積蒸餾水對溶液殘留的影響已是微乎其微。

2.2.3 溶解時選用不同規格的燒杯對溶液殘留的影響

滬科版、蘇教版教材對溶解過程中使用燒杯的規格定為100mL，人教版、魯科版教材則未有規定。那么配制1.000mol/L NaCl溶液選用不同規格的燒杯對溶液殘留是否存在影響呢？于是我們選擇50mL燒杯加入不同體積蒸餾水溶解，靜置5分鐘后再進行轉移、洗滌，并測量各用15mL蒸餾水洗滌3次時每次洗滌液中氯離子濃度的情況，與前述選用100mL燒杯的實驗進行對照。

通過分析表3數據，在一定程度上進一步驗證了前述實驗結論。而對比表2、表3數據我們則可以發現，選用50mL燒杯進行溶解時，其溶液殘留量均小于100mL燒杯。以50mL燒杯底部直徑4.7厘米、100mL

燒杯底部直徑5.2厘米計算，我們可以發現，盛裝相同體積液體時，液體與50mL燒杯的接觸面積會小于與100mL燒杯的接觸面積，溶液殘留相對較少，從而造成上述數據的差異。當然，通過比較，我們似乎可以得出，在配制1.000mol/L NaCl溶液實驗中選用50mL燒?杯進行溶解，其溶液殘留相對較少，但是在多次洗滌后，卻早已消除了其影響。

3 實驗總結與思考

本實驗通過探究每次洗滌后洗滌液中氯離子濃度的變化，嘗試從定量的角度分析配制一定物質的量濃度的溶液中各次洗滌操作的效果，得出了以下結論：

（1） 分析實驗數據發現第一次洗滌并轉移已能夠將絕大部分溶液殘留轉移（以本實驗歷次數據最大值計算，其溶液殘留造成誤差僅為0.0024%），洗滌2次并轉移則能夠基本將溶液殘留完全轉移，驗證了教材中“需用少量蒸餾水洗滌燒杯內壁和玻璃棒2～3次”的實驗要求是有科學道理的。

（2） 通過對使用不同容積的燒杯以及不同溶解用水量等因素的探究，發現這些因素雖然對最終洗滌并轉移后的結果影響不大，但燒杯中的溶液殘留還是與燒杯和溶液的接觸面積等因素有關。

本實驗探究的目的并不止于此。筆者在此基礎上還進行了以下思考：

（1） 在本實驗教學中教師可以嘗試引導學生親自進行實驗，在實驗中體驗科學探究的一般過程，體會、認識手持技術手段對化學科學創新的重要價值。其實，在任何實驗探究中教師都不應該把知識僅僅當成結論告知給學生，而是讓學生在自我需求的驅動下，通過在實驗中的合作和探究自主完成知識的建構、實現認知的轉變和發展[6]，力求通過實驗真正讓“靜”的知識“動”起來，促成知識的動態生成。

（2） 配制一定物質的量濃度的溶液是中學化學教材中的經典實驗之一。然而，越經典的實驗，教師在日常教學中越容易忽略對實驗本身的思考。在信息化、數字化高度發展的今天，教師更應該利用好教材以及教材中的經典實驗，借助數字化儀器設備，不斷思考創新，設計開發出更富時代特征、更符合素養發展的實驗探究活動，使經典實驗在傳承的同時能夠與時俱進、煥發新生。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020.

[2]王晶， 畢華林主編. 普通高中教科書·化學·必修第一冊[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 61～62.

[3]王磊主編. 普通高中教科書·化學·必修第一冊[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019： 25～26.

[4]王祖浩主編. 普通高中教科書·化學·必修第一冊[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 39～40.

[5]麻生明， 陳寅主編. 普通高中教科書·化學·必修第一冊[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2021： 30～31.

[6]王程杰. 對中學化學實驗教學作用的重新認識[J]. 教學儀器與實驗， 2001， （4）： 4～6.