數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于《酸堿中和滴定》的教學(xué)實(shí)踐研究

錢微達(dá)

摘 ? ?要： 本文以魯科版《化學(xué)反應(yīng)原理》[1]選修模塊第3章第4節(jié)“離子反應(yīng)”的第2課時(shí)“離子反應(yīng)的應(yīng)用”中的物質(zhì)含量測定——酸堿中和滴定的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)為例，充分將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)與高中學(xué)化學(xué)教學(xué)相結(jié)合，為課堂教學(xué)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息資源，并以圖像形式直觀展示，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)其自主建構(gòu)知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù) ? ?離子反應(yīng)的應(yīng)用 ? ?pH傳感器 ? ?酸堿中和滴定

利用滴定法對物質(zhì)含量進(jìn)行測定，是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。在滴定法原理教學(xué)中，“中和滴定法測定強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液的濃度”是入門的常用實(shí)例。但對酸堿中和滴定終點(diǎn)的判定方法，傳統(tǒng)教學(xué)通常僅是介紹利用指示劑的變色指示終點(diǎn)，對于其原因，一般不做解釋和強(qiáng)調(diào)。因而學(xué)生的理解僅停留在淺層次，多是利用機(jī)械記憶進(jìn)行掌握。本研究應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探究借助指示劑判斷滴定終點(diǎn)的原因，激發(fā)學(xué)生的好奇心，為學(xué)生提供動(dòng)態(tài)、直觀的數(shù)據(jù)圖像信息，再通過教師的引導(dǎo)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論進(jìn)行總結(jié)，促使學(xué)生自主建構(gòu)該知識(shí)體系。

一、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)及評析

“酸堿中和滴定”的教學(xué)設(shè)計(jì)以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，不斷激發(fā)學(xué)生認(rèn)知矛盾。教師引導(dǎo)以學(xué)生為主體，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析討論、逐級生成認(rèn)知，建構(gòu)相關(guān)知識(shí)體系。

1.“中和滴定法測定強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液濃度”的原理。

教學(xué)設(shè)計(jì)思路：

提出問題：中和反應(yīng)是酸堿溶液中的H■和OH■按照1∶1的計(jì)量比進(jìn)行的反應(yīng)。常溫下，強(qiáng)酸強(qiáng)堿恰好中和時(shí)，溶液的pH=7。在滴定操作中，為了得知已達(dá)到滴定終點(diǎn)進(jìn)而停止滴定，通常借助酸堿指示劑的變色進(jìn)行判斷。那么，指示劑變色時(shí)，溶液的pH就等于7嗎？

圖1 ? ?中和商定裝置

演示實(shí)驗(yàn)一：

（1）于課前先如圖1安裝好儀器裝置，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及pH傳感器，打開數(shù)據(jù)采集器開關(guān)，進(jìn)入朗威？襅DISLab6.0軟件系統(tǒng)，點(diǎn)擊“通用軟件，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別接入的傳感器，并顯示pH值”。

（2）對pH傳感器進(jìn)行預(yù)處理。

（3）用移液管移取20ml未知濃度鹽酸至100ml燒杯中，放入攪拌磁子，滴加2～3滴酚酞并將燒杯置于磁力攪拌器上。用蒸餾水洗滌pH傳感器，并用濾紙吸干。將pH傳感器電極玻璃泡完全浸入燒杯中的鹽酸液面下，調(diào)整磁力攪拌子位置防止碰撞電極。備用。

（4）課堂上，打開“計(jì)算表格”，添加代表NaOH滴定體積的變量“V”，點(diǎn)擊“平鋪窗口”。進(jìn)行磁力攪拌，待顯示的pH值穩(wěn)定后選擇“手動(dòng)記錄”，記下初始pH值，同時(shí)在相應(yīng)位置錄入滴定管內(nèi)液體的初始體積。

（5）用0.0938mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。滴定剛開始時(shí)，滴加可稍快一點(diǎn)（2～3滴/s），并注意pH值的變化。當(dāng)pH值明顯變化時(shí)，選擇“手動(dòng)記錄”pH值，同時(shí)在表內(nèi)記下NaOH的滴定體積讀數(shù)。當(dāng)pH值變化更快時(shí)，每滴一滴，充分?jǐn)嚢?，并注意pH值的變化，適時(shí)記錄消耗NaOH溶液的體積。

（6）當(dāng)溶液變成淺紅色時(shí)，記錄此時(shí)的pH和滴定體積數(shù)據(jù)，再滴加一定量的NaOH溶液，注意滴加時(shí)pH值的變化。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖2 ? ?中和滴定反應(yīng)終點(diǎn)

圖3 ? ?中和滴定指示劑變色的滴定終點(diǎn)

問題探究：指示劑變色時(shí)，溶液的pH就等于7嗎？中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)是否相同？

問題解決：教師組織引導(dǎo)學(xué)生通過討論得出相關(guān)結(jié)論。

用中和滴定法測定強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液的濃度，反應(yīng)終點(diǎn)（強(qiáng)酸強(qiáng)堿恰好中和時(shí)），溶液的pH等于7。而利用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)，pH并不等于7。即中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)并不相同。

總結(jié)提升：在此情境下，教師引導(dǎo)學(xué)生由個(gè)體到一般，介紹幾種常見的中和滴定指示劑的變色pH范圍。

評析：通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)將中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)pH，直觀地展示在學(xué)生面前，讓學(xué)生在客觀的事實(shí)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題，出現(xiàn)認(rèn)知矛盾，自然產(chǎn)生了“中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)并不相同。這對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒有影響？”的疑問，激發(fā)學(xué)生探究事物本質(zhì)的欲望。

2.中和滴定時(shí)指示劑的選擇。

教學(xué)設(shè)計(jì)思路：

提出問題：中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)并不相同。這對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒有影響？

演示實(shí)驗(yàn)二：

（1）接著實(shí)驗(yàn)一的操作，點(diǎn)擊“繪圖”，設(shè)定x軸為“V”、y軸為“pH”，得到一系列“V-pH”數(shù)據(jù)點(diǎn)。點(diǎn)擊“設(shè)置”，取消“只畫離散點(diǎn)”即可得到用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定未知濃度鹽酸的滴定曲線圖。

（2）右鍵選擇“鼠標(biāo)顯示坐標(biāo)值”，沿滴定曲線得到pH=7時(shí)的NaOH滴定體積，可算得未知濃度HCl的濃度c■。再沿滴定曲線得到pH=9時(shí)的NaOH滴定體積，可算得未知濃度HCl的濃度c■。比較c■和c■。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖4 ? ?標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定未知濃度鹽酸溶液的V-pH圖像

問題探究：

（1）通過計(jì)算比較c■和c■。

（2）中和滴定的反應(yīng)終點(diǎn)和用指示劑變色判斷的滴定終點(diǎn)不相同對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒有影響？

（3）如何選擇合適的酸堿中和滴定指示劑？

問題解決：教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行圖像觀察和數(shù)據(jù)分析，通過討論得出相關(guān)結(jié)論。

在酸堿中和滴定過程中，反應(yīng)終點(diǎn)附近的pH變化會(huì)發(fā)生突躍，即微量的滴定試劑引入就會(huì)引起明顯的pH變化。只要滴定時(shí)指示劑的變色范圍落在pH突躍范圍內(nèi)，則（用指示劑變色判斷的）滴定終點(diǎn)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)液滴定體積與理論反應(yīng)終點(diǎn)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)液滴定體積差異就很小。并且是在溶液濃度較小的情況下進(jìn)行的滴定，所以造成的誤差可以忽略。在實(shí)際酸堿中和滴定的操作中可以用指示劑的變色判斷達(dá)到滴定終點(diǎn)。

總結(jié)提升：舉一反三，練習(xí)鞏固。判斷強(qiáng)酸弱堿的滴定及強(qiáng)堿弱酸的滴定應(yīng)選擇的指示劑。同時(shí)提醒注意，滴定時(shí)使用的溶液濃度不宜太濃，應(yīng)是稀溶液的滴定。

評析：改變以往學(xué)生通過機(jī)械記憶，淺層次掌握酸堿中和滴定時(shí)合適指示劑選擇的情況。本研究通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)時(shí)得出動(dòng)態(tài)圖像和客觀數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生通過標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定未知鹽酸溶液過程中pH數(shù)據(jù)的分析，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)pH突躍的存在;通過對圖像數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，得出稀酸堿溶液滴定時(shí)，實(shí)際滴定終點(diǎn)和理論終點(diǎn)存在的誤差可忽略。在學(xué)生理解強(qiáng)酸強(qiáng)堿中和滴定指示劑選擇的原理之后，用強(qiáng)弱酸堿滴定時(shí)的指示劑選擇進(jìn)行拓展練習(xí)，促成學(xué)生自主逐步構(gòu)建滴定法原理，不斷突破該難點(diǎn)內(nèi)容。

3.指示劑的選擇和滴定終點(diǎn)判斷的綜合應(yīng)用。

教學(xué)設(shè)計(jì)思路：以攻為守，再次引發(fā)認(rèn)知矛盾，引導(dǎo)學(xué)生的思維進(jìn)一步深入。

演示實(shí)驗(yàn)三：

（1）用移液管移取20ml未知濃度的碳酸鈉溶液至100ml燒杯中，放入攪拌磁子。用蒸餾水洗滌pH傳感器，并用濾紙吸干。將pH傳感器電極玻璃泡完全浸入燒杯中的碳酸鈉液面下，調(diào)整磁力攪拌子位置防止碰撞電極。

（2）開啟磁力攪拌器，待系統(tǒng)顯示的pH值穩(wěn)定后點(diǎn)擊“繪圖”，設(shè)定x軸、y軸分別為“t”、“pH”，得出一組“t-pH”數(shù)據(jù)點(diǎn)。調(diào)節(jié)滴定管滴數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液勻速進(jìn)行滴定。點(diǎn)擊“設(shè)置”，取消“只畫離散點(diǎn)”，即得到已知標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定未知濃度碳酸鈉溶液的滴定曲線。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖5 ? ?標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定未知濃度的碳酸鈉溶液的t-pH圖像

問題探究：

（1）標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定未知濃度的碳酸鈉溶液的t-pH圖像有什么特點(diǎn)？如何解釋？

（2）若有甲基橙和酚酞兩種指示劑，如何選擇使用？怎樣判斷滴定終點(diǎn)？滴定終點(diǎn)時(shí)反應(yīng)物的計(jì)量比是多少？

問題解決：在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過討論得出相關(guān)結(jié)論：

該曲線存在兩個(gè)突躍。因?yàn)閷Ⅺ}酸逐滴滴加到碳酸鈉溶液中，反應(yīng)是分步進(jìn)行的。隨鹽酸用量的增多，首先生成的是碳酸氫鈉，最后才生成水和二氧化碳。兩步反應(yīng)分別對應(yīng)兩次突躍。第一次突躍pH在8附近，碳酸氫鈉溶液呈堿性，可選擇酚酞為指示劑，反應(yīng)物計(jì)量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=1∶1;第二次突躍pH在4附近，碳酸溶液呈酸性，可選擇甲基橙為指示劑，反應(yīng)物計(jì)量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=2∶1。

總結(jié)提升：可以從理論終點(diǎn)選擇合適的指示劑，或由實(shí)際選擇的指示劑判斷理論終點(diǎn)發(fā)生時(shí)的反應(yīng)物計(jì)量比。

評析：利用鹽酸滴定碳酸鈉溶液的分步反應(yīng)，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出出乎學(xué)生意料的有趣的曲線圖像，生動(dòng)地創(chuàng)設(shè)思維情境，激發(fā)學(xué)生探究欲望。引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用已有的知識(shí)技能，積極思考解決新問題，將學(xué)生對酸堿中和滴定的理解掌握引向深入。

二、教學(xué)小結(jié)

本課堂教學(xué)教師充分運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，不斷創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知矛盾，引導(dǎo)學(xué)生通過圖表和數(shù)據(jù)分析，對酸堿中和滴定進(jìn)行步步深入的理解、掌握和鞏固，分層次有效突破該節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)，充分體現(xiàn)教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)方式。教學(xué)過程中學(xué)生的好奇心和探究欲不斷被激發(fā)，圖像、數(shù)據(jù)分析能力、自主思維、討論合作、表達(dá)能力都得到有效訓(xùn)練。將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)充分應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)值得不斷嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京師范大學(xué)國家基礎(chǔ)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教材總編委會(huì)組編.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（化學(xué)反應(yīng)原理選修）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2011：7.