“二氧化碳溶于水、與水反應”數字化實驗設計

倪志鳳 周文榮

摘要：通過對二氧化碳溶于水、與水反應實驗改進及有關二氧化碳的數字化實驗的現狀調研，明確了實驗設計的發(fā)展空間，介紹了“二氧化碳溶于水、與水反應”的兩種數字化實驗設計，在此基礎上，從整合設計、可靠證據、技術應用三個維度剖析了實驗設計的優(yōu)點，旨在拓展一種實驗改進的方式與視角。

關鍵詞：數字化實驗;二氧化碳溶于水;二氧化碳與水反應

文章編號：1008-0546（ 2019） 09-0082-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.026

“二氧化碳溶于水、與水反應”是初中化學中二氧化碳的重要性質，同時學生對于“二氧化碳與水混合后體積減少是因為溶于水，還是與水反應，還是兩者兼有”存在著認知困惑。筆者借助傳感器設計“二氧化碳溶于水、與水反應”的數字化實驗，以期加深對二氧化碳性質的理解與認知。

一、二氧化碳溶于水、與水反應的實驗改進及有關二氧化碳的數字化實驗文獻調研

1.有關二氧化碳溶于水、與水反應的實驗改進

一線教師立足壓強的變化、顏色的變化，通過對裝置的改進，從定性、定量、對照等視角對二氧化碳溶于水、與水反應的實驗進行了深入的研究。常見的改進實驗見表l。

2.有關二氧化碳的數字化實驗設計

隨著科學技術的發(fā)展，數字化實驗逐漸進入初中課堂，一線教師關于二氧化碳常見的數字化實驗設計見表2。

3.-氧化碳溶于水、與水反應實驗設計的發(fā)展空間

從上述實驗設計中可以看出，老師們對二氧化碳溶于水、與水反應及關于二氧化碳的數字化實驗作了深入而又細致的研究，為后續(xù)的研究開闊了視野，拓展了思路。但利用傳感器設計“二氧化碳溶于水、與水反應”的數字化實驗涉及不多，同時已有的實驗改進還不能真正幫助學生理解二氧化碳通入水中后，水中溶有二氧化碳，給進一步研究留下了發(fā)展的空間。

二、二氧化碳溶于水、與水反應的數字化實驗設計

數字化實驗由傳感器、數據采集器、電腦及相關軟件構成，實驗結果以數字、曲線等形式呈現。

1.實驗設計一

（1）實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：氣體壓強傳感器、數據采集器、電腦、三頸燒瓶、注射器、廣口瓶、長頸漏斗、橡膠管、導管、橡皮塞。

實驗藥品：水、紫色石蕊試液、石灰石、稀鹽酸。

（2）實驗裝置（見圖1）

（3）操作要點

①檢查裝置氣密性;

②在三頸燒瓶中收集二氧化碳氣體，按圖l連接好裝置，設置好采集頻率、采集時間;

③點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，將注射器中的水注入三頸燒瓶中，觀察電腦屏幕上的曲線變化;

④（分析完曲線后）把裝水的注射器和壓強傳感器取走，換上橡皮塞，將注射器中的紫色石蕊試液注入三頸燒瓶，觀察現象。

（4）實驗現象和分析

注入水以后的實驗現象如圖2所示，將注射器中的水注入三頸燒瓶時，氣體被壓縮，壓強變大，曲線上升，隨著二氧化碳溶于水，三頸燒瓶中氣體的物質的量減少，壓強變小，曲線下降。紫色石蕊試液注入三頸燒瓶后可以觀察到溶液變?yōu)榧t色，說明二氧化碳與水反應。

（5）實驗設計的拓展

本實驗還可進一步拓展到二氧化碳減少的視角進行設計，但目前中學實驗室使用的各種品牌的氣中二氧化碳傳感器量程最大為lOOOOOppm，所以二氧化碳濃度大于lOOOOOppm時不一定能看到明顯現象。隨著對氣中二氧化碳傳感器的研發(fā)，量程擴大后可利用四頸燒瓶設計如圖3所示實驗裝置。

2 .實驗設計二

（1）實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：pH傳感器、溶解二氧化碳傳感器、數據采集器、電腦、燒杯、廣口瓶、長頸漏斗、橡膠管、導管、橡皮塞。

實驗藥品：水、石灰石、稀鹽酸。

（2）實驗裝置（見圖4）

（3）操作要點

①檢查裝置氣密性;

②按圖4連接好裝置，往燒杯中倒入lOOmL水，廣口瓶中加入石灰石，設置好采集頻率、采集時間;

③從長頸漏斗中注入稀鹽酸，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

（4）實驗現象和分析

實驗現象如圖5所示，隨著二氧化碳的通入，水中溶解的二氧化碳濃度逐漸增大，溶液的pH逐漸減小。由此可見二氧化碳既溶于水又與水反應。因為二氧化碳氣體中會帶出少量氯化氫氣體，故最后pH比正常情況略小，同時氯化氫溶于水后抑制了二氧化碳在水中的溶解，故最后溶解的二氧化碳也比正常情況略少。

3.實驗設計的優(yōu)點

（1）基于整合設計

兩個實驗設計注重多個實驗的整合，將二氧化碳溶于水、與水反應、碳酸的不穩(wěn)定性進行了有效的銜接設計或整合，減少了多次實驗操作的重復環(huán)節(jié)，同時合理利用了藥品，節(jié)約了資源。

（2）基于可靠證據

基于證據進行推理，首先要獲得能形成科學結論的可靠證據。二氧化碳溶于水很多改進實驗都是通過體系內壓強減小后引發(fā)的現象來證明的，這一間接證據并不可靠，它只能說明二氧化碳減少了，可能是溶于水減少，也可能是由于反應而減少。用溶解二氧化碳傳感器直接測定水中二氧化碳濃度的變化，可以讓學生很直觀地感知到水中二氧化碳的存在，這是可靠的直接證據，從而可以有效地解決學生的認知困惑。

（3）基于技術應用

創(chuàng)新實踐是中國學生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一，創(chuàng)新實踐素養(yǎng)提出了“技術應用”。數字化實驗是技術在化學學習中的一種應用，既傳承了傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢.又為“二氧化碳溶于水、與水反應”這些無明顯現象的反應“可視化”提供了一種途徑，也為傳統(tǒng)實驗儀器無法完成的定量實驗拓展了一種方式，為實驗手段在傳統(tǒng)與現代、定性與定量、靜態(tài)與動態(tài)之間架起了橋梁。

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