三組難溶物之間轉化反應的實驗探究

摘 要： 對Mg（OH）2與Fe（OH）3、 BaCO3與BaSO4、 AgCl與AgI三組難溶物之間的轉化反應進行實驗探究，借助數字化傳感器分別測定體系中的pH、電導率和電勢的變化，將三組體系中難溶物之間的轉化過程通過數據曲線的變化進行直觀呈現，判斷三組沉淀之間能否轉化以及相互轉化的方向，解決了現行高中教材實驗中這三組沉淀轉化步驟繁雜且耗時長的問題，有助于學生從微觀上理解沉淀溶解平衡。

關鍵詞： 電導率； pH； 電勢； 沉淀轉化； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）12008006

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

2017年版2020年修訂的高中化學課程標準對沉淀溶解平衡的內容要求是：“認識難溶電解質在水溶液中存在沉淀溶解平衡，了解沉淀的生成、溶解與轉化。［1］”該部分教學是以沉淀的生成和解離為核心，對沉淀溶解平衡的建立、沉淀的溶解和生成、沉淀的轉化三部分內容進行學習梳理，這其中又以沉淀的轉化最為復雜。四個版本教材選擇的難溶電解質代表物質如表1所示，以它們為例，對較復雜體系中沉淀溶解平衡的相關知識進行學習理解，并遷移應用到生產和生活實際中。

整體上看，大部分沉淀溶解平衡側重于理論分析，實踐操作較少，可能原因在于沉淀溶解平衡的建立時間較長，又或沉淀的轉化操作較為復雜。教材中對于沉淀的轉化操作實驗主要有兩種：第一種以人教版為例，AgCl轉化為AgI。先向過量NaCl溶液加入少量AgNO3溶液制得AgCl，再加入少量的NaI溶液，沉淀變黃說明AgCl轉化為AgI，通過觀察沉淀顏色的轉變判斷沉淀的轉化。但在實際的教學中，學生可能會存在這樣的疑問，假如Cl-與Ag+結合速率比較慢，還沒來得及與NaCl發生反應的AgNO3會不會直接與新加入的NaI反應生成AgI呢？這樣的話也會產生相同的現象，該怎么樣證明；第二種以魯科版為例，將沉淀的上層清液傾去，對沉淀洗滌2～3次，再加入相應的試劑驗證沉淀的轉化。若再嚴謹一點，加上檢驗沉淀是否洗滌干凈的操作，整體耗時較長，不利于在課堂中進行演示。

數字化實驗在促進學生認知、豐富實驗探究等方面都有別于傳統實驗，尤其是在宏觀現象與微觀探析結合方面發揮了獨特的實驗教學功能［2］。查閱文獻發現，利用手持技術大部分是探究沉淀溶解平衡的建立和影響沉淀溶解平衡的因素［3］，而對沉淀的轉化探究的比較少。本文利用pH傳感器、電導率傳感器和ORP（氧化還原）傳感器，選取三組典型的沉淀Mg（OH）2與Fe（OH）3、 BaCO3與BaSO4以及AgCl與AgI進行實驗探究，以尋找效果明顯、操作簡單、耗時較短的適合課堂演示的沉淀轉化實驗方案。

2 實驗設計思路

沉淀的轉化是一種難溶電解質的溶解和另一種難溶電解質的生成過程，沉淀發生轉化時，體系中對應離子的種類和濃度會發生改變。利用離子種類和濃度的不同，結合離子性質的差異，體系中的電導率、酸堿性、氧化性或還原性等性質會發生相應的變化。借助不同傳感器測定體系中的電導率等性質的變化，分析得出對應離子種類和濃度的變化情況，進而判斷沉淀轉化能否進行和沉淀轉化的方向。例如BaCO3+SO2-4BaSO4+CO2-3，該沉淀轉化反應理論上若是能正向進行，隨著CO2-3濃度的增大，體系的堿性應該增強，由于SO2-4和CO2-3的摩爾電導率不同，溶液的導電性也會發生改變，體系中的pH和電導率也會產生對應的變化。借助pH傳感器和電導率傳感器測出體系中pH和電導率的變化情況，反向可以推測該反應能否正向進行。

3 實驗準備

實驗儀器：燒杯、膠頭滴管、藥匙、夾持裝置、磁力攪拌器、威尼爾pH、ORP傳感器和電導率傳感器、數據采集器、電腦及配套軟件

實驗藥品：蒸餾水（電導率為4～6μS/cm）、AgCl固體、AgI固體、BaCO3固體、BaSO4固體、Mg（OH）2固體、Fe（OH）3固體、KCl溶液、KI溶液、Na2CO3溶液、Na2SO4溶液、MgCl2溶液、FeCl3溶液（注：為減小固體溶解帶來的數據影響，所加鹽均選用濃溶液，且下面所有實驗組均取自同一試劑瓶中的溶液。蒸餾水中的離子濃度太低，導致pH傳感器不能較好地測出蒸餾水的pH，曲線會發生波動。）

4 實驗探究Mg（OH）2與Fe（OH）3之間的轉化

4.1 實驗過程

（1） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入Mg（OH）2固體，用磁力攪拌器攪拌，待數據穩定后，向其中加入1滴管FeCl3溶液，用電導率傳感器和pH傳感器測其中的電導率和pH的變化，采集數據如圖1所示。

（2） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入Fe（OH）3固體，用磁力攪拌器攪拌，待數據穩定后，向其中加入1滴管MgCl2溶液，用電導率傳感器和pH傳感器測其中的電導率和pH的變化，采集數據如圖2所示。

4.2 數據分析

4.3 實驗結論

凡在一定的溫度和一定的溶劑中，只要溶液極稀，同一種離子的摩爾電導率都是同一數值［4］，不同離子的摩爾電導率則不同。發生沉淀轉化時，體系中的離子種類和濃度會發生改變，電導率曲線也會發生相應的變化。向濁液中加入鹽溶液時，難溶電解質導電率很小，加入鹽溶液后，若體系中的電導率是迅速增加后逐漸減小，說明該沉淀轉化反應能發生，若體系中的電導率是迅速增大后不發生改變，則說明該沉淀轉化不能發生。

由于FeCl3溶液和MgCl2溶液均存在鹽的水解平衡，對沉淀轉化體系中的pH會產生較大的影響，所以借助pH的變化不能對Mg（OH）2與Fe（OH）3之間的轉化做出判斷。但若加入的鹽不發生水解時，能否借助pH傳感器進行判斷呢？下面，我們借助手持技術進行實驗探究此種類型沉淀的轉化。

5 實驗探究BaCO3與BaSO4之間的轉化

5.1 實驗過程

（1） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入BaCO3固體，用磁力攪拌器攪拌，待數據穩定后，向其中加入1滴管Na2SO4溶液，用電導率傳感器和pH傳感器測其中的電導率和pH的變化，采集數據如圖3所示。

（2） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入BaSO4固體，用磁力攪拌器攪拌，待數據穩定后，向其中加入1滴管Na2CO3溶液，用電導率傳感器和pH傳感器測其中的電導率和pH的變化，采集數據如圖4所示。

5.2 數據分析

對比兩個實驗的電導率曲線變化差別很大，說明用電導率的變化可以判斷BaCO3與BaSO4的轉化方向。因此，借助電導率和pH的變化都可以判斷BaCO3與BaSO4轉化方向。

5.3 實驗結論

當向難溶電解質的濁液中，加入中性鹽溶液，發生沉淀轉化時，若生成能水解的離子時，溶液的pH會發生改變，對應的pH曲線也會產生對應的變化趨勢，這種情況下可以借助pH傳感器來判斷沉淀轉化的方向。

對比實驗BaCO3濁液中加入Na2SO4溶液與實驗Mg（OH）2濁液中加入FeCl3溶液，二者的電導率曲線變化均是先增大后逐漸減小，說明沉淀轉化可以進行；對比實驗BaSO4濁液中加入Na2CO3溶液與實驗Fe（OH）3濁液中加入MgCl2溶液，二者的電導率曲線變化均是增大后不發生改變，可以借助電導率曲線變化說明沉淀轉化很難進行。

通過實驗4和5發現，電導率傳感器是判斷沉淀轉化方向的一個很好的實驗工具，那么是不是沉淀轉化的方向判斷都可以借助電導率傳感器進行呢？下面我們對AgCl與AgI之間的轉化進行探究。

6 實驗探究AgCl與AgI之間的轉化

6.1 實驗過程

由于I-和Cl-均不發生水解，體系中的pH變化幾乎很小，所以下面的實驗將pH傳感器換為ORP傳感器。電勢反映了在電極上進行反應時得失電子的能力［5］，電極電勢越負，越容易失去電子，查閱文獻［6］標準電極電勢如表4所示，由于I-和Cl-按照物質的量1∶1進行轉化，且二者的電勢數值差別較大，當I-轉化為Cl-，體系中的電勢會升高，反之，則會減小。因此，可以借助ORP傳感器測定體系中電勢的變化趨勢，進而判斷I-和Cl-的濃度變化。

（1） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入AgCl固體，用磁力攪拌器攪拌形成飽和溶液，待數據穩定后，再向其中加入1滴管KI溶液，用電導率傳感器和ORP傳感器測其中的電導率和電勢的變化，采集數據如圖5所示。

（2） 向盛有60mL蒸餾水的燒杯中，加入AgI固體，用磁力攪拌器攪拌形成AgI濁液，待數據穩定后，再向其中加入1滴管KCl溶液，用電導率傳感器和ORP傳感器測其中的電導率和電勢的變化，采集數據如圖6所示。

6.2 數據分析

6.3 實驗結論

當向難溶電解質的濁液中，加入具有還原性或氧化性離子的溶液，發生沉淀轉化時，體系的電導率和電勢會發生改變，這種情況下可以借助電導率傳感器和電勢傳感器來判斷沉淀轉化的方向。

利用電勢傳感器判斷AgCl與AgI的轉化方向，若是電勢變化是先減小后逐漸增大，則該沉淀能發生轉化，若電勢變化是減小后不發生改變，則說明該沉淀轉化反應不能進行。此變化趨勢與前面用電導率判斷Mg（OH）2與Fe（OH）3、 BaCO3與BaSO4的轉化是一致的。綜上三個沉淀轉化的實驗得出，若利用電導率變化判斷沉淀轉化的方向時，需離子的摩爾電導率有差別。

7 實驗反思

本實驗探究利用手持技術，將微觀的粒子之間的轉化通過直觀的數據變化呈現出來，更加科學和嚴謹；將理論分析轉化為實踐操作，能讓學生更深入地認識到沉淀的轉化和沉淀轉化的方向問題，為一線教學提供參考。直接選擇難溶電解質進行沉淀轉化的實驗探究，而不是用現制沉淀的方法，既解決了前面學生提出的“未來得及反應”的問題，也解決了對沉淀洗滌和檢驗等繁瑣的實驗操作問題。實驗裝置簡單、便攜，實驗過程快捷，實驗現象明顯且準確，利于在課堂上演示。

另外，本實驗探究也可以結合沉淀溶解平衡的建立進行教學演示，這些難溶電解質在加水溶解的過程中，電導率、pH和電勢等的變化，都是微觀粒子性質的呈現。通過實踐這三組轉化實驗，建議可以選擇測AgCl溶解的電導率或電勢變化，或者測Mg（OH）2溶解的電導率和pH變化，在課堂中演示沉淀溶解平衡的建立實驗，理由是體系相對簡單，建立平衡的實驗時間也較短，數據變化較明顯；建議選擇測Mg（OH）2到Fe（OH）3的電導率的變化、測BaCO3到BaSO4的pH變化、測AgCl到AgI的電勢變化，在課堂中演示沉淀的轉化實驗，理由是數據變化直觀明顯，轉化時間短。

不足的是，雖然本實驗中使用的相同溶液的濃度都一致，但是受實驗室條件的制約，實驗試劑不全，沒有對教材中其他的沉淀轉化進行實驗探究，只能選擇幾組物質作為代表進行；實驗試劑不純，試劑的濃度無法精準配制，導致實驗探究只能通過曲線的變化趨勢判斷沉淀的轉化方向，而無法定量進行求算，期待后繼的探究能進一步完善。

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： 34.

［2］徐睿. 中學化學數字化實驗的新趨勢［J］. 化學教學， 2020， （9）： 31～33.

［3］杜博， 沈子稚， 肖艷. 基于“證據推理”素養的沉淀溶解平衡教學設計［J］. 化學教學， 2021， （6）： 61～62.

［4］［5］［7］傅獻彩等. 物理化學·下冊（第五版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2006： 21～22， 77～78.

［6］宋天佑等. 無機化學·上冊（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2019： 450～457.