手持技術支持的鹽類水解影響因素實驗探究①

李莉莉， 劉藝琳，2， 王雁筱，3

1.西南大學 化學化工學院，重慶 400715；2.四川省瀘縣第二中學，四川 瀘州 646106；3.河南省南陽第一中學，河南 南陽 473000

化學數字化實驗是利用傳感器、 數據采集器、 計算機及相應軟件對實驗中各種物理化學量(如pH值、 溫度、 壓強、 電導率和吸光度等)數據進行實時采集和分析，是信息技術與學科整合的典型代表，在我國中學及高等院校化學教學中占有極其重要的地位． 化學概念是從微觀層面界定的，因其涉及的抽象內涵不易被直接感知，學生對概念的認識也僅停留在機械記憶上． 手持技術數字化實驗可以使化學反應過程實證化、 動態化、 定量化、 可視化，可作為認知工具幫助學生科學感知和建構抽象的化學概念，為探索化學教學疑難問題提供了一條新途徑． 2018年，王立新等[1]首次提出了基于手持技術的TQVC概念認知模型，從認知理論層面分析了手持技術對學生概念建構的促進作用，并據此開發了一系列教學實例[2-5]，這為教育工作者科學有效地開展基于手持技術的信息化概念教學提供了理論基礎．

此外，開展化學數字化實驗教學，對學生的探究興趣、 思維技能及數據圖象分析能力的培養均會產生積極影響，這與新課標對學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”和“科學探究與創新意識”等學科核心素養培養的要求是相契合的． 手持技術的圖像分析功能與近年來高考真題中頻出的曲線類實驗題相對接，手持技術實驗能提升學生的曲線解讀及指導能力． 在高等師范院校的化學教學法實驗中開設手持技術相關課程也極大地提升了師范生數字化實驗技能及信息化教學研究的能力[6-8]，促進了本科師范人才專業化發展． 因此，本研究選擇2019年人教版選擇性必修一中“鹽類的水解影響因素”這一內容，開發基于手持技術的數字化實驗，為鹽類水解相關概念的教學提供案例．

1 研究背景分析

鹽類水解平衡移動是對化學反應平衡移動理論、 電離平衡理論及鹽類水解知識的綜合應用，是高中化學反應原理部分的重要內容，綜合性較強，理論抽象難懂，僅依靠應用勒夏特列原理進行遷移推理的教學方式對學生的邏輯思維能力要求極高． 2019年人教版高中教材將“影響鹽類水解的主要因素”實驗列為高中階段學生的必做實驗． 但在實際實驗過程中，平衡移動所引起的微弱變化很難被捕捉到，利用FeCl3水解后溶液顏色的變化、 pH試紙或指示劑顏色的變化來驗證FeCl3水解平衡移動方向都欠缺合理性[9]．

目前，基于手持技術探究水解平衡移動影響因素的實驗主要集中在利用pH傳感器和色度計監測FeCl3水解移動引起的pH值及吸光度變化[10-11]． 但僅由pH值的變化無法解釋“稀釋有利于水解”的論斷，而FeCl3水解后吸光度的變化是由水解和配位反應共同作用引起的[12]，因此，通過監測pH值及吸光度的變化來判斷FeCl3水解移動方向欠妥． 根據FeCl3水解反應原理，產物Fe(OH)3呈膠體或沉淀，溶液中導電微粒數發生改變，繼而會引起電導率的變化[13]，因此聯用電導率和pH傳感器監測FeCl3水解繼而形成膠體的過程，可以從直觀的動態變化中感知FeCl3水解移動過程，繼而從微觀層面理解水解平衡移動的主要因素，有利于學生變化平衡觀、 宏微觀和定量觀的構建．

2 實驗設計

2.1 實驗設計思路

2.1.1 FeCl3的水解平衡原理

FeCl3溶液易水解，改變平衡表達式Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+中不同物質的濃度，促進Fe3+的水解，進行膠體制備實驗． 該水解平衡的平衡常數

可溶性Fe3+鹽的水溶液有很多種存在形式． 當溶液酸性較強時，Fe3+主要以[Fe(H2O)6]3+離子存在，在高自旋狀態下，光吸收弱，呈現淡紫色． 平常人們所熟悉的黃棕色或紅棕色液體是鐵鹽溶于水后發生水解作用引起的． pH值在2～3時，水解的趨勢最明顯，溶液顏色為黃棕色，聚合傾向增大，形成聚合度大于2的多聚體，結構與Al2Cl6類似，可表示為：

當pH值繼續升高，溶液由黃棕色逐漸變為紅棕色，析出紅棕色膠狀Fe(OH)3． 要探究Fe(OH)3膠體的形成，則需要把pH值的范圍控制在2～3之間．

2.1.2 水解對體系電導率的影響

體系內存在的各種微粒之間相互作用，會影響體系的導電能力，電導率也就有了差異． 影響體系電導率的因素有： 可移動離子的濃度、 離子所帶電荷數、 溫度等． 強電解質溶液的電導率隨溶液濃度的增加而增加，如在一定濃度范圍內，NaCl溶液電導率隨濃度的變化呈線性關系． Fe3+易水解，其溶膠膠團的結構可表示為： {[Fe(OH)3]m·nFeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-． 水解形成的膠體微粒表面積大，容易吸附凝聚其他帶電微粒，從而使體系導電率發生改變．

2.1.3 實驗試劑濃度的選擇

經查閱文獻[14]及進行預實驗發現，FeCl3濃度越高，溶液顏色越深，一加熱極易出現大量沉淀，干擾數據采集，對電極損傷較大；FeCl3濃度過低，膠體不易出現，實驗效果不明顯． 因此，本實驗選擇0.02 mol/L的FeCl3溶液進行研究． 為避免因滴定試劑濃度過小導致消耗量過大以及滴定時間過長，引起體系中Fe3+濃度改變，繼而影響電導率，本實驗將所有滴定試劑的濃度定為0.1 mol/L．

因此，本研究借助手持技術的電導率傳感器、 pH傳感器和溫度傳感器，定量地探究溫度、 反應物濃度、 外加堿性氧化物和鹽對FeCl3水解平衡移動的影響，摸索制備Fe(OH)3膠體的適宜條件．

2.2 實驗儀器與試劑

儀器： 計算機SPARKvue軟件，PASCO藍牙數據采集器，PASCO溫度傳感器，PASCO電導率傳感器(10× Conductivity)，PASCO pH傳感器，紅色激光筆，磁力攪拌器，磁子，微型滴定管，電子天平，燒杯(100 mL、 150 mL若干)，漏斗，鐵架臺，濾紙，玻璃棒，膠頭滴管．

試劑： FeCl3·6H2O固體(M=270.30 g/mol，20 ℃水條件下的溶解度為0.92 g/mL)，0.1mol/L NaOH，0.1 mol/L NaHCO3，0.1 mol/L Na2CO3，0.1 mol/L HCl，CaCO3粉末(AR)，CuO粉末(AR)，CaO粉末(AR)．

2.3 儀器校準及操作方法

2.3.1 儀器的校準

2.3.1.1 PASCO pH傳感器的校準

FeCl3水解后，溶液pH值顯酸性． PASCO pH傳感器采用二點校準，選擇25 ℃下pH=4.00鄰苯二甲酸氫鉀和25 ℃下pH=6.86的磷酸緩沖溶液． 在計算機SPARKvue軟件“校準傳感器： 輸入數值”一欄分別讀出兩個校準點的傳感器數值，再填入標準值．

2.3.1.2 PASCO電導率傳感器的校準

采用一點校準． 校準前將電導探頭浸泡在蒸餾水中5～10 min，用1 000 mg NaCl配置成1 L溶液，導電率在25 ℃下為1 990 μS/cm，選擇“1～10 k”檔進行讀數校準．

2.3.2 儀器的操作方法

按圖1所示將電腦與手持技術傳感器(根據探究因素選擇相應傳感器： pH傳感器、 溫度傳感器或電導率傳感器)、 藍牙數據采集器連接，打開電腦上與PASCO手持儀器配套的SPARKvue軟件，點擊連接相應測量參數，參數設置完畢即可開始實驗，采集數據．

圖1 實驗裝置

3 實驗內容

3.1 探究c(Fe3+)對水解平衡的影響

3.1.1 稀釋對水解平衡移動的影響

用蒸餾水分別配置0.4 mol/L NaCl溶液和0.2 mol/L FeCl3溶液，分別稀釋10倍和100倍，測定不同濃度下其電導率和pH值，結果見表1．

表1 不同濃度下NaCl和FeCl3的電導率和pH值

從表1中pH值一欄可知，由于體系中存在水解平衡，FeCl3溶液呈酸性，稀釋10倍后pH值上升也不足一個單位． 如圖2所示，稀釋會降低溶液的電導率，在低濃度下，NaCl溶液的電導率隨濃度呈線性變化(圖2a)，而FeCl3溶液的電導率不呈線性變化趨勢(圖2b)． 因為FeCl3溶液水解形成的Fe(OH)3堿性溶膠帶正電，會吸附體系中帶正電的微粒． 這些帶正電的微粒主要有兩種： 一是沒有變成膠體的Fe3+和與其結構相似的FeO+，體系中只會有部分Fe3+會水解為Fe(OH)3膠體，體系是一個動態平衡，反應有一定的限度；二是Fe3+水解產生的H+． Fe3+的水解導致原體系內帶電粒子數目減少，但并非呈線性關系地減少，因此電導率下降也呈非線性變化． 由此可見，稀釋促進了FeCl3溶液水解平衡向正向移動．

圖2 低濃度下NaCl溶液和FeCl3溶液電導率隨濃度變化曲線

3.1.2 增大c(Fe3+)對水解平衡的影響

向50 mL新制的0.02 mol/L的FeCl3溶液中，依次加入一定量的飽和FeCl3溶液(3滴/次)并攪拌，示數穩定后打破平衡，繼續滴加．

隨著飽和FeCl3溶液的滴加，溶液的顏色逐漸加深，由淺黃色變為黃棕色，滴加4次后能看到較弱的丁達爾效應． 隨后發現，將新制的0.1 mol/L FeCl3溶液靜置0.5 h也能看到丁達爾效應． 實驗表明FeCl3的水解聚合要經歷一個過程，不同濃度和靜置時間會促使水解程度不同[15]．

從圖3a可知，每次滴加飽和FeCl3溶液后，pH值先急劇下降，然后維持穩定，且隨著FeCl3濃度不斷增大，pH值下降趨勢越來越小． 說明滴加過程中H+濃度增加，FeCl3溶液水解平衡向正向移動． 圖3b顯示，隨著飽和FeCl3溶液的滴加，溶液電導率呈上升趨勢． 理論上講，生成膠體會使得體系內的電導率下降，但新增加的參與水解部分的FeCl3相對于體系新增的FeCl3總量要少得多，水解的FeCl3只占一小部分，體系的帶電微粒數增多，因此導致電導率不降反升．

圖3 依次滴加飽和FeCl3溶液后的pH值和電導率變化曲線

根據滴加飽和FeCl3溶液的滴數計算出投入FeCl3的總濃度，從手持技術實驗軟件中提取出每次滴加完達到新的水解平衡時的pH值，根據H(%)=3c(H+)/c(Fe3+)[16]計算出FeCl3的水解度(圖4)．

圖4 FeCl3水解度曲線

從圖4曲線中可以看出向0.02 mol/L的FeCl3溶液中逐步滴加飽和FeCl3溶液，體系的pH值和水解度都降低，說明了隨著體系中c(Fe3+)增大，能促進水解平衡正向進行，但水解程度隨之降低． 換言之，稀釋FeCl3溶液會使pH值和水解程度增大． 由圖4也可看出，鹽溶液的水解程度是很微弱的，且鹽類水解的概念只適合在稀溶液中提出．

3.2 探究溫度對水解平衡的影響

3.2.1 升溫對水解平衡的影響

同時連接好溫度傳感器、 電導率傳感器及pH傳感器，在加熱條件下，測定0.02 mol/L FeCl3溶液(新制)的pH值及電導率變化情況，以蒸餾水作為對照實驗(圖5)，并記錄20，40，60 ℃下FeCl3溶液顏色變化及丁達爾現象的情況(圖6)． 由于本實驗使用的電導率傳感器的工作溫度范圍是0～80 ℃，pH傳感器的工作溫度范圍是5～80 ℃，為防止對電極造成損壞，因此本實驗溶液溫度最高加熱至65 ℃．

FeCl3溶液電導率曲線(b)中的突躍變化是由于切換了量程，達到“1～10 k”檔的峰值后需及時手動進行調整，用“10～100 k” μS/cm檔繼續測定．

圖6 不同溫度下FeCl3溶液顏色及丁達爾現象情況

如圖5所示，隨溫度升高，FeCl3溶液的pH值從約2.1逐漸降至1.5，電導率增加了約一倍，而蒸餾水的pH值和電導率只有輕微的波動． 溫度低于40 ℃時溶液的顏色變化不大，溫度達到60 ℃時顏色加深為紅棕色，能觀察到明顯的丁達爾現象(圖6)． 升溫能促使FeCl3溶液電離出更多的H+，使得pH值降低；溶液顏色逐漸加深并能觀察到丁達爾現象，證明有Fe(OH)3膠體形成，由此可見，FeCl3的水解反應為吸熱反應，升溫可促進水解平衡向正向移動． 雖然多種羥基配合物在不斷聚合，但溫度越高，帶電粒子運動速度越快，溶液的電阻越小，導電性增強，導致電導率升高．

實驗過程中還發現，持續加熱至80 ℃以上時，由于溫度升高，膠粒運動速率加快，碰撞機會增多，膠核對粒子的吸附能力減弱，很容易聚沉出現紅褐色沉淀． 因此，0.02 mol/L 的FeCl3溶液形成膠體的最低溫度為60 ℃． 值得一提的是，加熱形成的膠體冷卻后，放置一周仍有明顯的丁達爾效應，采用此方法制得的Fe(OH)3膠體可以穩定存在．

3.2.2 降溫對水解平衡的影響

將0.02 mol/L FeCl3溶液放置冰水浴中，測定其電導率和pH值(表2實驗1)． 由表2發現降溫使得體系電導率下降，pH值上升，證明FeCl3水解平衡向左移動，水解被抑制．

將加熱至30，40，50，60 ℃的FeCl3溶液(表2實驗2，3，4，5)分別冷卻至室溫，測定其電導率和pH值． 從表2中的數據可以看出，電導率有大幅降低，pH值也大都有一定上升，但水解平衡卻不能恢復到室溫時的狀態(7 294 μS/cm，pH=2.10)，推測是因為加熱過程中會生成Fe2O3·xH2O[17]，導致反應平衡的不可逆． 在探究溫度對水解平衡的影響系列實驗中發現，溫度因素對電導率的影響遠遠大于水解平衡移動所引起的電導率變化，建議改用具有溫度補償功能的電導率傳感器．

表2 FeCl3溶液隨溫度變化的電導率和pH值

3.3 探究c(H+)對水解平衡的影響

室溫下，使用高精度滴定管分別向50 mL新制的FeCl3溶液(0.02 mol/L)中滴加0.1 mol/L的NaOH，Na2CO3，NaHCO3及HCl溶液，控制滴速2～3滴/s，并攪拌，分別測定其pH值及電導率變化，探究堿和酸對體系平衡移動的影響． 表3記錄了FeCl3與堿性和酸性溶液反應的實驗現象．

表3 Fe3+與堿性和酸性溶液反應的實驗現象

3.3.1 堿性溶液對水解平衡的影響

如圖7所示，隨著NaOH的加入，溶液的pH值只是微微上升，即使加至反應當量的NaOH(30 mL)時，pH值僅上升至約2.65，溶液呈現明顯的丁達爾現象(表3序號1)． 加入NaOH會消耗FeCl3水解產生的H+，但pH值上升趨勢不大，這說明體系中有更多的H+被水解出來，抑制了pH值的上升，也證實了水解平衡向正向移動．

向FeCl3溶液中滴加Na2CO3和NaHCO3時，pH值均呈現先緩慢上升、 后急劇上升并慢慢趨于平緩的變化． 滴加Na2CO3時，圖7中AB段有微量氣泡產生，溶液由淺黃色變為橙褐色，并伴有丁達爾效應(表3序號2)． BC段反應劇烈，有Fe(OH)3沉淀和大量氣泡產生． 滴加NaHCO3至約10 mL時有少量氣泡產生，溶液由淺黃色變為橙褐色，并伴有丁達爾效應(表3序號3)． DE段反應現象與BC段相同． 結合實驗現象及pH值變化曲線，本研究認為，AB段和AD段分別是CO32-和HCO3-與Fe3+水解產生的H+結合生成H2CO3，由于前期生成的H2CO3量較少，逸出液體的氣體較少，且受攪拌的影響，只能觀察到極少的氣泡． 同時，體系中增加的OH-促進Fe3+進一步水解生成Fe(OH)3膠體，因此AB段和AD段發生部分雙水解反應，pH值上升緩慢，溶液顏色變為橙褐色并能觀察到明顯的丁達爾效應． BC段和DE段則發生完全雙水解反應，生成Fe(OH)3沉淀和大量氣泡． 由兩者pH值變化曲線的拐點可看出，相較NaHCO3，Na2CO3與FeCl3的雙水解反應更為迅速．

圖7 向FeCl3溶液中滴加NaOH，NaHCO3和Na2CO3溶液時的pH值變化

隨著堿性溶液的加入，FeCl3溶液發生水解聚集形成膠體或沉淀，體系的導電性不如離子溶液強，體系內電導率均大幅下降(圖8)． 綜上所述，向水解平衡體系中加入堿和強堿弱酸鹽，都能促進水解平衡正向移動． 而且，雙水解對反應的促進作用更徹底．

圖8 向FeCl3溶液中滴加NaOH，NaHCO3，Na2CO3溶液時的電導率變化

探究本系列實驗時，值得注意的是，滴加速度不宜過快，否則局部堿性過強，直接生成Fe(OH)3沉淀． 攪拌時速度不宜過快，磁子不得碰撞電導率及pH計探頭，以免測量受波動． 滴加大量堿性溶液時，Fe(OH)3完全沉降(Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38，pH>3.5)，形成的濁液分散系是不均一的，電導率測量會有偏差． 測量時，電極浸泡時間不宜太長．

3.3.2 酸對水解平衡的影響

隨著HCl溶液的滴入，溶液顏色逐漸變淺，由淺黃色褪為接近無色(表3序號4)． 從圖9a可以看出，隨著鹽酸的滴加，c(H+)增加，pH值下降，水解平衡逆向移動，使得Fe3+水解程度降低． 溶液中帶電粒子H+，Cl-，Fe3+濃度的增加使溶液導電性增強，電導率曲線呈上升趨勢(圖9b)． 少量的HCl對FeCl3水解的抑制作用都是顯著的．

圖9 向FeCl3溶液中滴加5 mL 0.1 mol/L HCl時的pH值和電導率變化曲線

3.3.3 堿性氧化物及碳酸鹽對水解的影響

本實驗繼續探究了堿性氧化物(CuO，CaO)和碳酸鹽(CaCO3)粉末對FeCl3水解的影響． 依據理論計算，50 mL 0.02 mol/L FeCl3溶液完全發生反應(不考慮Fe3+水解)，所需CuO，CaO和CaCO3的最少質量分別為0.12，0.084，0.15 g．

室溫下，分別向新制50 mL 0.02 mol/L FeCl3溶液中加入理論計算量的CuO，CaO和CaCO3固體粉末，并用玻璃棒攪拌，靜置后過濾，用激光筆照射，實驗現象見表4．

表4 Fe3+與堿性氧化物、 碳酸鹽反應的實驗現象

相較新制FeCl3溶液初始pH值及電導率(2.16，5 667 μS/cm)，加入CuO，CaO及CaCO3固體后，溶液的pH值均小幅上升，電導率均下降，且溶液均呈現較明顯的丁達爾效應． 這是由于CuO，CaO及CaCO3與Fe3+水解產生的H+反應，使體系c(H+)降低． 但pH值只小幅上升，且體系聚集形成膠體使導電離子數減少，因此Fe3+水解平衡正向進行，水解程度增大． 三者反應后均呈現較明顯的丁達爾效應，氧化鈣尤甚． 值得一提的是，放置一夜后，加入CaO粉末的一組溶液能持久呈現丁達爾效應(圖10)，說明利用此方法可制備穩定的Fe(OH)3膠體．

圖10 靜置一夜后的丁達爾效應

4 研究意義

本研究利用手持技術中的pH傳感器、 電導率傳感器及溫度傳感器，測定了不同外界條件影響FeCl3水解的pH值和電導率變化，佐證了鹽類水解的主要影響因素． 同時，由數字化實驗呈現的圖形和數據分析了水解程度及雙水解反應歷程，實驗過程中也獲得了多種制備穩定膠體的方法． 本系列手持技術實驗為教材中的實驗活動提供了具體方案．

同時，本系列手持技術實驗可以作為揭示“影響水解平衡的主要因素”教學的素材，使抽象概念顯性化，定性實驗定量化、 動態化，能夠轉變學生學習方式及思維方式，培養學生曲線解讀能力及“證據推理”素養；通過對比實驗，強化學生控制變量的思想，學會分析化學平衡移動的一般思路和方法，培養學生的平衡觀、 變化觀、 宏微觀及 “模型認知”素養，真正踐行信息技術與化學教學的深度融合．