“Crocodile Chemistry”在“酸堿中和滴定”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊毅旭+沈甸

摘要：強(qiáng)酸與強(qiáng)堿、強(qiáng)酸與弱堿等中和反應(yīng)之間存在何種差異，運(yùn)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)或是pH傳感器等難以進(jìn)行平行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。鑒于課堂演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、不易把控等問(wèn)題，在學(xué)生親自實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以化學(xué)軟件“Crocodile Chemistry”為工具，模擬多種類型的酸堿中和滴定，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、把握本質(zhì)，體驗(yàn)不同類型中和反應(yīng)之間的不同。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；酸堿中和滴定；化學(xué)軟件；Crocodile Chemistry

文章編號(hào)：1005–6629（2017）2–0078–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)教學(xué)中也自然離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可獲取直觀的感性認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，思考問(wèn)題，然后運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題。由于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的限制，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，如酸堿滴定過(guò)程中pH的變化，強(qiáng)酸與強(qiáng)堿、強(qiáng)酸與弱堿在滴定過(guò)程中pH變化的差異等問(wèn)題，給學(xué)生理解酸堿滴定的原理帶來(lái)了一定困難。

1 教材中酸堿中和滴定的實(shí)驗(yàn)

“酸堿中和滴定”是一個(gè)探究性定量實(shí)驗(yàn)，既是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是高考化學(xué)考查的熱點(diǎn)內(nèi)容。

圖1是酸堿中和滴定的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，也是酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中最為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)裝置。利用這一實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，往往會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：（1）難以把控滴定終點(diǎn)，容易出現(xiàn)失誤；（2）pH突躍時(shí)間短，無(wú)法重復(fù)呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生印象不深；（3）酸堿中和反應(yīng)有多種類型，如一元強(qiáng)堿和多元酸的反應(yīng)，強(qiáng)堿與弱酸或強(qiáng)酸與弱堿的反應(yīng)等。這些反應(yīng)的終點(diǎn)，以及達(dá)到反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)所消耗的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的量與一元強(qiáng)酸強(qiáng)堿的反應(yīng)存在著何種不同，真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以給學(xué)生一個(gè)直觀的比較以促進(jìn)其理解，而這些反應(yīng)往往又是教學(xué)中的難點(diǎn)。

2 酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)分析研究

為應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題，產(chǎn)生了諸多新的實(shí)驗(yàn)手段，如視頻實(shí)驗(yàn)、手持技術(shù)、仿真實(shí)驗(yàn)軟件等，給化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了生機(jī)。

李新義在“手持技術(shù)在酸堿中和滴定終點(diǎn)判定中的應(yīng)用”一文中[1]，利用溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，借助數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)直接繪制數(shù)據(jù)曲線，便捷、直觀地反映出中和反應(yīng)過(guò)程中溫度和電導(dǎo)率的變化，并利用軟件技術(shù)找到酸堿中和滴定的終點(diǎn)，不僅減少了指示劑種類和濃度的誤差，而且避免了人為因素的干擾，彌補(bǔ)了中學(xué)教材準(zhǔn)確測(cè)定滴定終點(diǎn)方法的空缺，提高了測(cè)定的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。由于該實(shí)驗(yàn)需要借助多種先進(jìn)儀器，一般學(xué)校難以配備，因而大范圍地推廣運(yùn)用存在一定的困難。

魏銳等在“利用pH傳感器研究中和反應(yīng)過(guò)程中pH的突變”一文中[2]，利用pH傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，借助數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)直接生成數(shù)據(jù)曲線，便捷、直觀地反映了中和反應(yīng)過(guò)程中的pH變化，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)“突變”的存在，較好地促進(jìn)了學(xué)生的理解。但運(yùn)用傳感器的實(shí)驗(yàn)往往是針對(duì)一個(gè)中和反應(yīng)體系所進(jìn)行的，難以同時(shí)對(duì)不同類型酸堿中和滴定進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，故而在體驗(yàn)不同類型中和反應(yīng)之間的差異上存在一定的局限性。

鑒于上述問(wèn)題，本文擬以英國(guó)公司開(kāi)發(fā)的Crocodile Chemistry模擬實(shí)驗(yàn)軟件為工具，設(shè)計(jì)與教材內(nèi)容相匹配的酸堿中和滴定系列實(shí)驗(yàn)，給化學(xué)教學(xué)提供借鑒與參考。采用該實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件，可以相對(duì)客觀而又理想化地模擬反應(yīng)進(jìn)程與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將不同反應(yīng)中所消耗的滴定酸或堿的量清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，以便于學(xué)生理解酸堿滴定終點(diǎn)以及所消耗的酸與堿的量的比例關(guān)系，幫助學(xué)生在課堂上從宏觀和微觀兩個(gè)角度同時(shí)觀察反應(yīng)的現(xiàn)象與原理，從而引導(dǎo)學(xué)生深入思考、把握本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的分析能力[3，4]。

3 運(yùn)用“Crocodile Chemistry”軟件模擬“強(qiáng)酸、弱堿中和滴定”的教學(xué)設(shè)計(jì)

[師]同學(xué)們，我們知道，酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)為：H++OH-=H2O，但是，這是否意味著所有的一元酸、一元堿在中和反應(yīng)時(shí)，當(dāng)酸堿的用量滿足1：1時(shí)，溶液恰好為中性呢？

[生]不一定吧！

[師]大家有疑問(wèn)？想一想，有沒(méi)有什么好的解決辦法？

[生]用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下最直接。

[師]大家的想法非常好，由于運(yùn)用pH傳感器難以進(jìn)行平行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，下面老師借助Crocodile Chemistry實(shí)驗(yàn)軟件為大家模擬一下用0.01 mol/L HCl溶液以相同的速度同時(shí)滴定20mL 0.01 mol/L NaOH溶液與20mL 0.01 mol/L NH3·H2O溶液時(shí)溶液pH的變化，選用甲基橙為指示劑，請(qǐng)仔細(xì)觀察鹽酸的用量及兩者滴定終點(diǎn)之間的差異。

[生]認(rèn)真注視屏幕（圖2）。

[師]大家觀察到了什么？請(qǐng)說(shuō)說(shuō)看。

[生1]盛放氨水的燒杯率先變紅。

[生2]鹽酸與氨水反應(yīng)pH突躍的時(shí)間較氫氧化鈉早。

[生3]反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間：氨水<氫氧化鈉。

[生4]反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)鹽酸的用量：氨水<氫氧化鈉。

[師]大家說(shuō)的都很對(duì)，讓我們把反應(yīng)的pH圖像放大（圖3），通過(guò)對(duì)比可以清楚地看到，用等濃度的HCl溶液以相同速率滴定等量的一元堿NH3·H2O和NaOH時(shí)，與氨水率先到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)，而且n（HCl）

[生]討論并提出一處關(guān)鍵區(qū)別：NH3·H2O為弱堿、NaOH為強(qiáng)堿。

[師]兩者區(qū)別在哪里？

[生] NH3·H2O為弱堿只能部分電離，NaOH為強(qiáng)堿，在溶液中完全電離。

[師]說(shuō)的很好，但酸堿中和反應(yīng)的過(guò)程酸的加入促進(jìn)了氨水的電離，因此堿性的強(qiáng)弱并不影響反應(yīng)的產(chǎn)物與進(jìn)程；那原因到底在哪里呢？請(qǐng)?jiān)儆^察圖像，看看還能發(fā)現(xiàn)點(diǎn)什么。

[生]反應(yīng)滴定終點(diǎn)的產(chǎn)物與兩者按1：1反應(yīng)的產(chǎn)物不同。

[師]怎么不同？說(shuō)說(shuō)看！

[生]當(dāng)HCl與NH3·H2O按1：1完全反應(yīng)后，溶液中溶質(zhì)應(yīng)為NH4Cl，從圖像上可以看出溶液的pH<7；但滴定達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，用去的鹽酸小于20mL，產(chǎn)物應(yīng)為NH4Cl和NH3·H2O，溶液的pH=7；NH3·H2O顯堿性，是否意味著HCl與 NH3·H2O生成的鹽NH4Cl是顯酸性的。

[師]完全正確，在我們的印象中，大多數(shù)鹽溶液是顯中性的，比如NaCl、KNO3，但鹽溶液一定都顯中性嗎？

[生]不是，比如純堿Na2CO3，它不是堿而是鹽，但其水溶液顯堿性。

[師]說(shuō)的很好，正是由于產(chǎn)物NH4Cl顯酸性，為使溶液顯中性，氨水需要有剩余，故而使得HCl消耗量減少，反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間提前。

[師]事實(shí)上很多鹽的水溶液并不顯中性，可能呈酸性，可能呈堿性。下節(jié)課我們將深入學(xué)習(xí)鹽的組成與水解知識(shí)。

4 總結(jié)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用Crocodile Chemistry模擬本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于：實(shí)驗(yàn)過(guò)程可將宏觀反應(yīng)現(xiàn)象與微觀進(jìn)程相結(jié)合，有利于學(xué)生把握酸堿中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，特別是在強(qiáng)酸、弱堿中和滴定以及強(qiáng)堿、弱酸中和滴定問(wèn)題上有優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，真實(shí)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來(lái)的真實(shí)感受是模擬實(shí)驗(yàn)永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。不能完全以模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)、錄像實(shí)驗(yàn)等代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新義.手持技術(shù)在酸堿中和滴定終點(diǎn)判定中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（6）：45～47.

[2]魏銳，包明，王磊，劉強(qiáng)，范林，宋萬(wàn)琚，劉秀豐.利用pH傳感器研究中和反應(yīng)過(guò)程中pH的突變[J].化學(xué)教育，2007，（4）：59～61.

[3]曹晶偉，沈甸.化學(xué)軟件Crocodile Chemistry在“化學(xué)反應(yīng)速率”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（11）：20～22，26.

[4]蔡邦宏.功能強(qiáng)大的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件——Crocodile Chemistry 309 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，（12）：128～129.