酸雨教學實驗的新設計

王棟

摘要： 基于建構主義思想設計一組實驗，讓學生自主建構酸雨的概念（酸雨基準確定的依據），用實驗驗證硫酸型酸雨放置時pH下降的事實。簡要闡明酸雨判斷（pH≤5.6）的理論依據，討論分析模擬雨水（空氣飽和蒸餾水）pH<5.6的原因、大氣中CO2濃度變化對雨水pH的影響，介紹學術界提出的對酸雨基準的建議。作為一種工具，傳感器技術在學習中的作用應當是參與知識的建構，而不僅僅是獲取信息的手段。

關鍵詞： 酸雨教學; 實驗設計; 酸雨基準; pH傳感器

文章編號： 10056629（2018）10006904中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

高中化學關于酸雨的教學中，有兩個問題是教學難點： 問題1，不能準確理解酸雨基準pH=5.6的確定依據;問題2，不明白硫酸型酸雨放置一段時間后pH下降的原因。實際教學中，解決問題1的方法主要是由教師講述： 空氣中有少量二氧化碳氣體，溶于水并與水反應生成碳酸呈酸性，其最小pH是5.6;若某次降水的pH小于5.6，則空氣一定被其他酸性氣體污染，而非空氣中的二氧化碳氣體所致。但學生的理解不盡相同（惑），大部分學生錯誤理解為在蒸餾水中通入純凈二氧化碳氣體至飽和時溶液的pH是5.6。解決問題2也通常是教師告訴學生一個事實，亞硫酸是弱酸，與空氣中的氧氣反應生成的硫酸是強酸，酸性增強，所以溶液pH下降。這種蒼白無力的告知，對還未學習電離平衡知識的高一學生來說一臉茫然（疑），教學效果不盡如人意。

針對上述問題，我們借助于Vernier pH傳感器技術，基于建構主義思想設計了一組實驗，學生在自主建構中形成酸雨的概念，消除了上述疑和惑。

1解惑——用實驗呈現事實

“惑”，亂也。意為分辨不清，不明對錯。“解惑”，意為解除迷惑。

空氣中二氧化碳的體積分數[φ（CO2）]約為0.034%（340ppm： 1980年數據[1]），二氧化碳溶于水存在以下平衡體系[2][3]：

基于上述計算，含少量二氧化碳的空氣與水的平衡體系的pH與純二氧化碳與水的平衡體系的pH顯然不同。為讓學生建構這一概念，我們設計了測定去氣體蒸餾水和被空氣飽和蒸餾水（模擬自然雨水）的pH兩個實驗，用以創(chuàng)設基于真實問題的學習情境，并形成學習任務。在提供相關學習資源后，學生自主設計了測定飽和二氧化碳水溶液的pH的實驗，通過對實驗結果的對比分析自主得出酸雨基準確定依據是“被空氣飽和雨水的pH”的結論，較準確地理解了酸雨的概念。

實驗1制備去氣體蒸餾水： 在1000mL燒杯中加入約600mL蒸餾水，用電爐加熱，保持沸騰狀態(tài)15分鐘，去除蒸餾水中溶解的氣體。移去熱源，用家用食品保鮮膜覆蓋在水表面上，盡可能不讓已經去除氣體的蒸餾水接觸空氣，冷卻至室溫，備用。

用pH=4.00（±0.01）和pH=9.18（±0.01）的緩沖溶液（上海三信儀表廠）校準Vernier pH傳感器。

裝配儀器，將Vernier pH傳感器（精確到0.01）與數據采集器連接，取去氣體蒸餾水，測定其pH。測定結果約等于7，說明去氣體水為中性或接近中性。（受測定條件的限制，在中學化學實驗室中較難制得pH為7.00的中性水，實際測定值在6.80～7.00之間）

實驗2制備模擬自然雨水（飽和空氣蒸餾水）： 取室溫下約200mL去氣體蒸餾水加入到洗凈的家用噴霧器中，備用;準備一只長×寬×高約為70cm×70cm×100cm（體積約為500L）的塑料袋，展開袋口并設法支撐固定好塑料袋，將噴霧器置于袋口上方，向塑料袋中噴霧，塑料袋用于收集霧狀水。使水呈現霧狀的目的是讓水充分與空氣接觸，充分溶解空氣中的二氧化碳氣體，模擬自然雨水。必要時可以進行二次噴霧，以確保二氧化碳溶解達最大量。

用Vernier pH傳感器測定飽和空氣蒸餾水的pH。測定結果pH大約為5.2～5.4。多次測定的結果顯示其pH都小于5.6。

上述實驗結果會讓學生產生疑問，為什么模擬雨水（飽和空氣蒸餾水）不是中性的？為什么該蒸餾水的pH比5.6還要??？從而形成本課的主要學習任務。

實驗3制備飽和CO2水溶液： 取約200mL去氣體蒸餾水，高強度快速通入純凈CO2氣體（工業(yè)瓶裝壓縮CO2氣體，非實驗室用化學方法制?。?0分鐘左右，使CO2氣體達到溶解飽和狀態(tài)。

用Vernier pH傳感器測定飽和CO2水溶液的pH，如圖1所示。

以上三個實驗真實呈現去氣體的蒸餾水、模擬自然雨水（飽和空氣蒸餾水）和飽和二氧化碳水溶液的pH。通過比較分析，學生認識到酸雨基準（pH=5.6）不是將純凈二氧化碳氣體通入到水中形成飽和溶液的酸度，而是將空氣溶解于水達到飽和狀態(tài)時的酸度。這種切身的體驗和感悟消除了學生心中對酸雨基準確定依據的迷惑，加深了對酸雨概念的理解。

2釋疑——用技術讓理論說話

“疑”，不明白、不相信，“釋疑”，意為解釋疑問，消除疑難。

在高中學習二氧化硫性質及酸雨知識時，學生還沒有學習有關電解質溶液的知識，并不知道相同條件下二元強酸的pH要比同濃度的二元弱酸的pH?。聪嗤瑮l件下二元強酸溶液中的氫離子濃度要比等濃度的二元弱酸溶液中的氫離子濃度大），所以在試圖向學生解釋硫酸型酸雨放置一定時間后的pH下降的原因時，學生一般不易理解，產生疑問在所難免。為了消除學生的疑難，教師引導學生設計實驗，驗證在模擬pH=4的酸雨中通入氧氣（或加入雙氧水）時，溶液pH發(fā)生變化情況，讓枯燥的理論變?yōu)榭梢暬臄祿?，用實驗代替蒼白無力的說教，直觀解答學生產生的疑問。

實驗4在500mL的燒杯中加入200mL去氣體蒸餾水，放在磁力攪拌器上，用注射器向去氣體蒸餾水中慢慢通入少量SO2氣體（SO2由實驗室用亞硫酸鈉與濃硫酸反應制得，用量一般小于10mL），控制pH在4左右。小心地向其中通入純凈氧氣（由醫(yī)用氧氣袋供氣）或加入兩滴30%的雙氧水。

用Vernier pH傳感器測定溶液的pH。測定結果： 溶液pH下降0.4左右。

空白試驗： 另取200mL去氣體蒸餾水，用稀鹽酸調至pH等于4左右，向其中加入兩滴30%的雙氧水，測定溶液pH，結果顯示pH下降0.10～0.15左右）。

該實驗用現代傳感器技術測定了亞硫酸在氧化為硫酸的過程中pH的變化，結合教師的分析，學生能認清相同條件下亞硫酸溶液的pH要比同濃度的硫酸的pH大的事實，也為以后學習電解質溶液的性質做好一定的知識準備。

3問題與討論

（1） 多次實驗結果表明久置于空氣中的蒸餾水的pH都小于5.6（實驗2測定結果為5.2～5.4），我們認為原因有二： 一是實驗條件下的空氣并不是理想的只含有少量CO2的氮氣、氧氣混合氣體，而是已經不同程度地被SO2等酸性氣體污染過的氣體;二是由于人類活動，室內空氣中的二氧化碳氣體的含量要大于平均值，有研究測得室內CO2的含量達520～660ppm[4]，二氧化碳濃度的增大，使溶液酸度增大。

（2） 本研究使用1980年數據計算出被空氣飽和蒸餾水的pH為5.6（實際計算值為5.64）。由于人類的活動，空氣中二氧化碳的含量逐年增加，若使用較早時期（1950年： 310ppm[5]）和近年（2013夏威夷冒納羅亞觀測站）的測定結果400ppm[6]計算，pH分別為5.67和5.61，說明近70年來空氣中二氧化碳的含量的變化對酸雨判定的基準的影響不大。同時本文的所有計算過程都忽略了空氣中其他酸性氣體（如氮氧化合物等）對雨水酸度的影響。

（3） 向pH=4的亞硫酸溶液中快速通入10分鐘空氣，溶液的pH下降不明顯，說明空氣中氧氣氧化亞硫酸的速率較慢，我們改用醫(yī)用純氧，同樣快速通入10分鐘后，溶液pH只能下降0.1～0.2左右，放置2小時后，pH下降約0.4左右并趨于穩(wěn)定。為加快亞硫酸的氧化速率，我們向其中加入2滴30%的雙氧水，溶液的pH立即下降0.4左右，考慮到空白實驗的結果，溶液pH實際下降不到0.3。這一結果也與理論估算相吻合。估算過程如下： H2SO3H++HSO-3， HSO-3H++SO2-3， Ka1=1.28×10-2， Ka2=7.24×10-8，在不考慮亞硫酸的二級電離的情況下，若pH為4的亞硫酸溶液計算得亞硫酸的濃度為1.01×10-4mol/L，當全部亞硫酸氧化為硫酸后，設硫酸為二元強酸，即溶液中[H+]約為2.02×10-4mol/L，計算得溶液的pH為3.69，由4變化到3.69，變化約0.3[估算中忽略了溶解在水中未與水化合的SO2，同時也沒有考慮硫酸的二級電離是可逆的事實（HSO-4的電離常數Ka2=1.02×10-2），兩者相互抵消，減小了估算誤差]。

（4） 關于將酸雨基準定為pH=5.6是否合理，學術界有一定研究，謝約翰的研究建議將基準定為3.94～5.41之間[7]。莫天麟等學者研究建議基準定為4.7[8]。從各國在不受工業(yè)影響的潔凈地區(qū)測得的結果來看，將酸雨的判別基準定為5.6也有待商榷。Winker （1983）參加北極的考察中，在基本不受人為污染影響的北緯80°以北地區(qū)，測得降水平均pH為5.12，最低達4.75。根據Galloway等（1982）報道，全球降水化學計劃已在5個僻遠地區(qū)收集和監(jiān)測降水，發(fā)現降水是酸的，降水體積加權平均的pH為4.8～5.0。其原因是自然條件下大氣中其他痕量酸性氣體（痕量氣體是指在大氣中濃度低于1ppm即10-6的氣體。主要痕量氣體的本底值為SO2： 0.2ppb， NH3： 0.1ppb， HCl： 1ppb， HNO3： 50ppt， H2S： 0.2ppb， HNO2： 0.1ppb。1ppb=10-9; 1ppt=10-12）、降水強度、氣溶膠、有機酸等因素對降水pH都有影響，從理論和實測兩方面都說明酸雨基準確定為小于5.6的某個數值才相對合理。

4本實驗設計的意義

國際知名教育技術學者戴維·喬納森認為，技術不僅僅是硬件，還包括促進學習的任何一種方法，以及促使學習者參與所作的設計與環(huán)境[9]。在傳統(tǒng)教學中，技術往往被用作是知識傳遞的工具。人們通過與技術交互，從技術中接受信息并且嘗試去理解這些信息。技術作為信息的載體和學生的導師，學習者是“從技術中學習”。這種技術傳遞教學信息的觀念已經過時。技術不應該被用作被動的學習者運輸和傳遞設計者信息的工具，而應該作為學習者學習的工具，讓學生參與有意義的學習，即“用技術學習”。因為當學習者作為被動接受存儲技術所傳遞的那些需要處理的信息的“容器”時，他們并沒有進行有意義的學習，而當學生把技術作為開發(fā)和分享自己的“食物”的工具時，他們在進行有意義的學習。讓傳感器技術融入到學生的學習過程中，促使學生去探究問題、設計實驗、驗證假說和創(chuàng)設學習的情境，進行有意義的學習。本教學實驗設計中，我們試圖將傳感器技術運用到學生的知識建構中，引導學生設計實驗，解惑釋疑，讓傳感器成為學生有意義學習的工具。

參考文獻：

[1][5]閻坤.60年來大氣中二氧化碳濃度數據的趨勢方程研究[J].地球物理學進展， 2009，（10）： 1665～1670.

[2][7]謝約翰.關于酸雨基準值的界定研究[J].地理教學， 2016，（12）： 16～17.

[3][8]莫天麟等.酸雨判別基準值探討[J].環(huán)境科學學報， 1988，（1）： 32～39.

[4]徐業(yè)林等.室內空氣中二氧化碳變化趨勢及現狀調查[J].安徽預防醫(yī)學雜志， 2010，（8）： 272～280.

[6]大氣中二氧化碳含量創(chuàng)歷史新高.科技日報.2013年5月15日第002版.

[9]賈義敏.學習的未來： 學會解決問題[J].現代教育技術， 2009，（3）： 5～9.