借助手持技術探究水的電離影響因素

趙 瑞，陳婭娟，李 睿

(云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500)

1 問題的提出

水為弱電解質，能夠發生微弱電離，其電離過程受到外界條件的影響。例如，溫度、酸、堿、鹽和部分金屬的影響。然而，水電離過程的變化不能通過肉眼直觀地觀察，致使學生難以理解此部分內容。另外，在人教版高中化學選擇性必修1第三章模塊中并未呈現相關內容，但在相關測試中往往會考查。通過對近幾年高考試題的分析發現：試題常涉及對化學平衡圖表分析的考查。因此，借助手持技術對“水的電離影響因素”實驗設計，不僅有利于發展“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“科學探究與創新意識”學科核心素養，而且培養分析、概括總結能力，具有十分重要的意義。本實驗通過手持技術直觀、實時地呈現水電離受到酸、堿和鹽影響時的曲線，以圖像形式表征，將微觀化學變化可視化，以及通過Kw、c(H+)H2O和c(OH-)H2O關系，驗證外界條件對水的電離的影響程度。直觀及時的圖像和清晰的驗證過程，使學生實現真正的理解。本實驗中因溫度對水電離的影響程度極小，圖像變化趨勢不明顯，由此不予其探討。

手持技術由傳感器(本實驗主要采用pH傳感器)、數據采集器、DISLab軟件組成，通過數據采集器采集和處理pH傳感器監測的pH值，將其傳輸給電腦，軟件自動繪圖[1]。

2 實驗過程

2.1 實驗原理

2.2 實驗儀器與藥品

儀器：DISLab系統、數據采集器、pH傳感器、磁力攪拌器、傳感器連接線、USB連接線、50 mL 燒杯、玻璃棒、分析天平、藥匙、鐵架臺。

藥品：蒸餾水、0.1 mol/L 稀HCl溶液、0.1 mol/L 稀NaOH溶液、1.0000 g 碳酸鈉、1.0000 g 氯化銨、1.0000 g 醋酸銨。

2.3 實驗設計

依據選取實驗原料原則：易得、廉價、環保等，本實驗選取HCl、NaOH、Na2CO3、NH4Cl、CH3COONH4為主要試劑，具體實驗設計如表1所示。

表1 實驗設計

2.4 實驗步驟

1)用蒸餾水清洗傳感器并校準[2]；

2)分別稱取 1.0000 g NH4Cl固體粉末、1.0000 g Na2CO3固體粉末、1.0000 g CH3COONH4固體粉末及 1.0000 g NaOH固體，配制 0.1 mol/L 稀HCl溶液和 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

實驗一：取 100 mL 蒸餾水于 250 mL 燒杯中，連接裝置，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀HCl溶液，運行軟件，觀察實驗現象。實驗結束后用蒸餾水清洗pH傳感器，并浸泡在 0.1 mol/L KCl溶液中。

實驗二：步驟同上，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

實驗三：同上，向其中加入 1.0000 g NH4Cl固體粉末。

實驗四：同上，向其中加入 1.0000 g Na2CO3固體粉末。

實驗五：同上，向其中加入 1.0000 g CH3COONH4固體粉末。

實驗結果見圖1～圖5。

1)實驗一

由圖1可知：純水的pH為7.2，向其中加入 0.1 mol/L稀HCl溶液(pH為1)，pH驟減；達到平衡時，pH為1.22，略大于1，存在較小誤差。由于純水pH為7.2，即水電離出的H+濃度為10-7.2mol/LF，根據c(H+)H2O=c(OH-)H2O,則水電離出的OH-濃度為 10-7.2mol/L，以及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O,可知此溫度下的KW為10-14.4。向水中加入稀鹽酸后，此時溶液中的H+主要有兩個來源：水的電離和鹽酸的完全電離，因此比較加入強酸前后OH-的濃度變化表征水的電離的影響程度。

圖1 實驗一結果

依據c(H+)H2O=c(OH-)H2O、及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O計算任取加入強酸后的兩點：

pH為6時，c(H+)=10-6mol/L,c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-8.4mol/L<10-7.2mol/L；

pH為4時，c(H+)=10-4mol/L，c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-10.4mol/L<<10-7.2mol/L；

因此說明強酸抑制水的電離。

2)實驗二

同理，向水中加入強堿，此時溶液中的OH-主要有兩個來源：水的電離和氫氧化鈉的完全電離，比較加入強堿前后的OH-濃度變化表征水的電離的影響程度。

圖2 實驗二結果

依據c(H+)H2O=c(OH-)H2O及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O計算，任取加入強堿后的兩點：

pH為9時，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-9mol/L<10-7.2mol/L;

pH為11時，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-11mol/L<<10-7.2mol/L；

強堿抑制水的電離。

3)實驗三

通過數字化實驗所得圖3分析：未加入NH4Cl固體時，c(H+)H2O=c(OH-)H2O=10-7.85mol/L；加入且達到平衡時，c(H+)H2O=10-6.64mol/L>10-7.85mol/L，因此證實強酸弱堿鹽促進水的電離。

圖3 實驗三結果

4)實驗四

加入且達到平衡時，c(OH-)H2O=10-3.31mol/L>10-7.5mol/L，證實強堿弱酸鹽促進水的電離。

圖4 實驗四結果

5)實驗五

圖5 實驗五結果

2.5 實驗反思

通過5組實驗數據分析，筆者發現，每一組所測得的純水pH均存在較小偏差，可能是由于pH傳感器未洗凈導致。另外，依據鹽類水解等理論內容，弱酸弱堿促進水的電離程度應大于強酸弱堿鹽，但本實驗中兩組數據相差程度較小，主要是因為醋酸銨易潮解，對水的電離的影響程度減弱。因此，在后續的實驗研究中，每組實驗應采用不同的燒杯，以及確保清洗干凈pH傳感器，并校準；其次，鑒于弱酸弱堿鹽對水的電離的影響，不宜長時間將其暴露在空氣中。

3 結語

新時代人才培養需求發生改變，倡導構建以學生為中心的課堂教學，尊重學生個性化，借助信息技術架構學生有效學習，進而促進其全面發展[3]。手持技術將定性實驗研究轉化為定量實驗研究，有利于學生理解化學反應原理；通過數字化實驗系統繪制曲線，操作簡單方便，加深學生對知識的理解[4]。

本實驗借助手持技術將水的電離影響因素內容直觀化，通過分析實驗所得圖表，依據Kw=c(H+)H2O·c(OH-)H2O及c(H+)H2O=c(OH-)H2O計算水電離出的H+或OH-，進而說明強酸、強堿和鹽類對水的電離的影響程度。雖然實驗設計還需進一步改進，但將手持技術應用于高中化學課堂教學，定性與定量相結合，可以增強理論內容的說服力。另外，手持技術將微觀化學變化可視化，學生通過實驗圖像實時、直觀地觀察和分析其化學變化，促進學生實現理解及化學學科核心素養的發展。與此同時，信息技術“走進”高中化學課堂教學，實現課堂教學的“現代化”，符合當前課程改革的要求，促進學生化學學科核心素養的形成和發展，也為一線教師提供教學方向。