電解質溶液導電性實驗的創新與應用

摘要：電解質知識是高中化學的重點內容之一，研究電解質溶液的導電性有助于學生深入理解電解質的相關知識。在對教科書中電解質溶液導電性實驗進行分析和對相關研究文獻進行梳理總結的基礎上，選用低壓LED燈、雙顯表、干電池組、透明塑料盒、石墨棒等材料對電解質溶液導電性實驗裝置進行改進創新，并用改進后的裝置指導學生進行探究實驗，促進了學生高階思維和學科核心素養的提升，取得了良好的效果。

關鍵詞：電解質溶液 導電性 裝置創新 實驗應用

電解質是一類重要的化合物，與我們的生活、生產和生命活動密不可分。研究電解質的導電性可以幫助學生認識離子反應、電離平衡和鹽類水解的本質，有利于培養學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等學科核心素養。

一、問題的提出

電解質的電離是離子反應、電離平衡和鹽類水解的基礎，現行4個版本的高中化學教科書都在必修部分對實驗進行了介紹，實驗原理基本相同，都是將小燈泡、電解質溶液和電源進行串聯，通過小燈泡的亮度來判斷電解質處于固體狀態、熔融狀態時在水溶液中的導電性。

在教學實踐中發現，教科書中該實驗存在一些不足：一是（人教版）該實驗所用電源為學生電源，需要接觸220 V交流電，存在一定的安全隱患；二是在實驗時要不斷地更換溶液，清洗電極，實驗操作不方便、不連貫、很耗時；三是電解質溶液的導電性實驗是交替進行的不是同時進行的，小燈泡不是同時亮而是交替亮，這樣會使小燈泡明亮程度不是很直觀；四是用濃度相同的4種不同電解質溶液進行實驗時，小燈泡的亮度變化不明顯。

關于電解質溶液導電性實驗，有學者和教師對其進行了研究，并提出了自己的看法和改進措施。代表性的有：周萬成、劉順國將音樂卡芯片、喇叭串聯后再與發光二極管并聯，然后再分別與靈敏調節器、電源穩壓器和兩根粗銅絲串聯形成“溶液導電性檢測儀”。湯晶、倪剛等借助干電池、音樂芯片、回形針、輸液管和手機測聲軟件，對電解質溶液導電性實驗進行了改進，通過測量音樂芯片發出聲音大小的分貝值來判斷電解質溶液導電性的強弱。趙琴，肖紅梅把發光二極管與電解質溶液串聯，再多組并聯，用紐扣電池作為電源，用廢棄醫用小藥瓶盛放待測液，可同時測定不同溶液的導電性。王愫懿用燒杯做盛放電解質溶液的容器，碳棒做電極，將電極和紅色發光二極管串聯，再將五組這樣的電路并聯后與學生用直流穩壓電源、可變電阻、電源開關串聯，通過發光二極管的亮度判斷強弱電解質溶液的導電性。

大家對電解質溶液導電性實驗裝置的改進有一定的可取之處，但仍然存在一些問題，如實驗中所用的小燈泡亮度變化不明顯，對極弱電解質的導電能力無法判定；使用220 V的交流電穩壓裝置供電，存在安全隱患；對盛放電解質溶液的裝置沒有很好地改進和描述，不便于控制變量比較電解質溶液導電性；還存在裝置復雜，操作繁雜等問題。在研究電解質溶液導電性實驗時，絕大部分學者和教師沒有意識到該實驗對于幫助學生理解離子反應、電離平衡和鹽類水解的重要性，也沒有充分利用該實驗來培養學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等學科核心素養。

針對存在的問題，筆者通過查閱相關文獻進行反復實驗，最終選用低壓LED燈、雙顯表、干電池組、透明塑料盒、石墨棒等材料對電解質溶液導電性實驗裝置進行改進和創新，使實驗現象更加明顯，并能夠應用于電解質溶液導電能力影響因素的探究、弱電解質電離的探究以及離子反應本質的探究，有利于學生對電解質相關理論的理解，有助于培養學生的探究能力。

二、實驗裝置的創新

電解質溶液導電實際上是電解質產生的離子發生定向移動，在陰陽極發生氧化還原反應的過程，但如何將微觀離子運動和反應轉換成更直觀的現象，達到原理的可視化，這就需要對科教書中的電解質溶液的導電性實驗裝置進行改進。

（一）實驗裝置的創新點

教科書中電解質溶液導電性的實驗裝置用小燈泡，而小燈泡工作電壓范圍狹窄，亮度隨電壓變化不夠明顯。

隨著科技的發展，數字化技術已應用于很多中學化學實驗，運用數字化設備來測定電解質溶液的電導率，從而判斷化合物是否為電解質以及電解質的強弱。但電導率是一個陌生的概念，需要給學生講解，溶液電導率概念較為復雜，使用率低，如果學習將增加學生的負擔；而且電導率傳感器及配套的信息技術設備費用高，一般的學校都不具備這樣的條件。為了解決這個的問題，可用雙顯表代替數字化設備與電解質溶液連接，利用伏安法測電阻，定量描述電解質溶液的導電能力，該方法的原理，在初中物理中就已經學過，學生容易掌握理解，經過實驗證明現象明顯、效果良好。

為了避免學生使用學生電源時與220 V交流電接觸，消除安全隱患，用4節1.5 V干電池串聯作為實驗的電源，而且即使出現短路，低壓LED燈也不會損壞。

人教版教科書中該實驗用燒杯作為電解池，將石墨棒插過紙板后，部分浸沒在電解質溶液中，帶導線的夾子夾住石墨棒，導線另一端與電源連接。這樣的裝置，隨意性強，對其他影響電解質溶液導電性因素，如石墨棒與溶液接觸面積、石墨棒直徑、石墨棒之間的距離等都沒有固定，這使測試的結果存在偏差，可比性不強，而且該裝置不便于收納和放置。

（二）實驗裝置的制作

1.實驗裝置器材

低壓LED燈、電池盒、4節5號電池、雙聯船型開關、雙顯表、插簧接線端子（6.3 mm）、插簧套、帶蓋透明塑料盒（長70 mm、寬50 mm、高60 mm）、石墨棒（直徑6 mm）、U型接線端子、熱縮管、4 mm香蕉插頭、4 mm香蕉插座、導線（直徑1.6 mm）、三合板等。

2.實驗裝置的安裝

①取長寬分別為300 mm、200 mm，厚度為2.5 mm的三合板一張，進行規劃設計，在合適位置挖孔。

②將雙聯船型開關、雙顯表和4 mm插座安裝到相應孔中，電池盒安裝在三合板上。

③三合板安裝在框架上，并將框架與底座連接固定。

④雙顯表電源固定在框架上，紅色導線一端與雙顯表電源連接，接頭用熱縮管包裹，另一端與6.3 mm插簧接線端子連接，再將插簧端子插進雙聯船型開關接線柱上，套上插簧套。

⑤準備好透明帶蓋塑料盒（長70 mm、寬50 mm、高60 mm），在蓋子上鉆四個孔，外側兩個孔之間的距離為22 mm，內側兩個孔之間的距離為14 mm，在外側兩孔中安裝兩個接線柱，內側兩個孔中分別插入直徑為6 mm長為70 mm的石墨棒并固定，用導線將石墨棒和接線柱連接。

⑥截取長100 mm直徑1.6 mm的黑紅導線各三根，每一根導線一端連接4 mm香蕉插頭，另一端接U型接線端子。

⑦每一根導線香蕉插頭插入三合板上的4 mm香蕉插座中，U型接線端子接入塑料盒蓋子的接線柱上，一個新的電解質溶液導電性實驗裝置就制作好了。

三、創新裝置的應用

利用制作的新裝置，指導學生進行相關的實驗，對影響電解質溶液導電能力的因素進行探究，可以使抽象理論具體化、可視化，培養學生的創新意識和實驗探究能力；對教科書中的實驗和圖像進行驗證，幫助學生理解和掌握離子反應和電離平衡知識的，培養學生的證據推理和模型認知能力。

探究一：不同濃度的電解質溶液導電性探究

學生利用該裝置對不同濃度的同一電解質溶液導電性進行探究。從環保、安全等角度考慮，選擇Na2SO4溶液作為該實驗的電解質溶液。學生以小組為單位分別配置1 mol·L-1、0.5 mol·L-1、0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液各100 mL，將配制好的溶液加入透明塑料盒中，插入石墨電極，打開雙聯開關，觀察低壓LED燈的亮度，記錄雙顯表中的電壓和電流。

學生觀察到，分別與1 mol·L-1、0.5 mol·L-1、0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液相連的LED燈由亮逐漸變暗。三組裝置采用并聯的方式，電解質溶液的電壓幾乎相同，但電流和電阻存在明顯差別。由此可知溶液的濃度越大其電流越大，電阻越小。

學生交流討論，歸納總結得出：電解質溶液的導電能力與溶液中的離子濃度有關。

探究二：相同濃度的不同電解質溶液導電性探究

同種電解質溶液濃度不同，其導電能力不同，濃度相同的不同電解質溶液的導電能力是否相同呢？學生利用該裝置，設計方案進行實驗探究。

學生設計用MgSO4、NaNO3溶液進行導電性實驗，以小組為單位分別配制0.5 mol·L-1 MgSO4、NaNO3溶液各100 mL，配好的溶液分別裝入透明塑料盒中，插入石墨電極，打開雙聯開關，觀察低壓LED燈的亮度，閱讀雙顯表中的電壓和電流數值。

學生觀察到，與0.5 mol·L-1MgSO4溶液連接的低壓LED燈要比與0.5 mol·L-1NaNO3溶液連接的低壓LED燈亮；兩溶液的電壓幾乎相同，但連接MgSO4溶液的線路電流要比連接NaNO3溶液的大。

學生思考討論總結得出：電解質溶液的導電能力與溶液中離子所帶電荷數多少有關；在等濃度的情況下，離子所帶電荷數大，溶液導電能力強。

探究三：電解質溶液相互反應過程中的導電性探究

離子之間的反應是微觀的，用肉眼無法觀察到，有些離子反應沒有明顯的現象，但可以用反應過程中，溶液的導電性來證明反應的發生。

在液體中常以電阻的倒數——電導來衡量其導電能力的大小。電導G的計算公式：G=1/R。電導的單位稱西門子，用S表示，由于S單位太大，常采用毫西門子或微西門子。如果以滴加的硫酸溶液體積為橫坐標，溶液電導為縱坐標，就可以得到如圖1所示的圖像，與魯科版教科書第55頁“觀察·思考”欄目中的圖像基本一致。圖中溶液的電導變化可以反映出兩種電解質溶液混合過程中所發生的反應導致離子濃度變化。

電解質的知識是中學化學中的重要內容，電解質溶液導電性實驗對學生掌握電解質知識具有很大幫助。經過反復實踐，不斷改進，對教科書中的電解質溶液的導電性實驗進行了創新，制得的裝置具有靈敏度高、現象明顯、操作簡單、收納方便、直觀性強等優點，指導學生利用該裝置進行電解質知識的相關實驗，對培養學生證據推理與模型認知、實驗探究與創新都有很大的促進作用，也為學者和教師進行相關的教學和研究提供了參考。

參考文獻：

[1]周萬成，劉順國.溶液導電性實驗教具制作的研究[J].實驗教學與儀器，2011，28（6）：4950.

[2]湯晶，倪剛，吳曉紅.電解質溶液導電性實驗的改進[J].化學教學，2017（5）：7375.

[3]趙琴，肖紅梅.基于STEM理念自制教具測定溶液的導電性[J].中學化學教學參考，2019（10）：6061.

[4]王愫懿.強弱電解質導電性檢測實驗的改進[J].化學教育，2010，31（10）：73，89.

責任編輯：黃大燦