用數(shù)字化實驗呈現(xiàn)“可逆”原電池

楊美玲

摘要：通過使用數(shù)字化實驗，在原電池的課堂演示實驗中以曲線的形式呈現(xiàn)反應(yīng)方向的改變、反應(yīng)速率的變化，幫助學生將原電池知識與反應(yīng)速率、化學平衡知識融會貫通。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;原電池;可逆反應(yīng);化學平衡

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0092-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.026

王繼璋[1]提出，用20mL 0.1mol/L KI溶液和20mL0.1mol/L FeCl3溶液組成雙液原電池后，發(fā)生反應(yīng)2FeCl3+2KI =+2FeCl2+2KCl，電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。待電流表指針指向“0”后，加入碘單質(zhì)或FeCl2晶體，電流表指針將再偏轉(zhuǎn)。待電流表指針再次指向“0”后，再加入KI晶體，電流表指針將又發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過這個實驗，幫助學生深刻理解平衡狀態(tài)及平衡移動。 筆者對這個實驗非常感興趣，認為該實驗可應(yīng)用于課堂上，幫助學生理解化學平衡知識。然而，筆者在實驗室進行該實驗時，發(fā)現(xiàn)：

問題一、電流衰減很慢，如表1：

前2小時內(nèi)，從電流表中幾乎看不出電流的減小。如果要等電流表指針重新指到“0”，需要一個非常漫長的等待過程。

問題二、向燒杯中再加入FeCl3固體、KI固體、碘單質(zhì)，電流表指針偏轉(zhuǎn)不明顯。如果該實驗應(yīng)用于課堂教學，還需要進行一定的調(diào)整，使實驗現(xiàn)象更加清晰。

為了使該實驗?zāi)芊?wù)于課堂教學，筆者做了多次實驗，尋找適合課堂教學的最佳實驗方案。

一、實驗器材和藥品

0.1mol/L FeCl3溶液、0.01mol/LFeCl2溶液、0.1mol/LKI溶液、0.01mol/L KI溶液、還原鐵粉、碘單質(zhì)。上海數(shù)好（Seho）數(shù)字化實驗室微電流傳感器、鹽橋、燒杯、導線、石墨碳棒、50mL小燒杯、漏斗、濾紙。

二、實驗改進研究

1.電流能否在課堂40min內(nèi)衰減為0

針對問題一，筆者用數(shù)字化實驗微電流傳感器代替靈敏電流表，嘗試通過調(diào)整兩種電解質(zhì)溶液的濃度來縮短電流衰減為0的時間。

實驗操作：小燒杯A中盛有電解質(zhì)溶液1，小燒杯B中盛有電解質(zhì)溶液2。微電流傳感器的紅線連接石墨碳棒，浸入小燒杯A中;微電流傳感器的黑線連接石墨碳棒，浸入小燒杯B中。實驗裝置如圖l： 在計算機Seho通用軟件上設(shè)置每秒記錄一個數(shù)據(jù)，放人鹽橋，點擊“開始”按鈕。

多次實驗表明，F(xiàn)eCl3與KI反應(yīng)的趨勢非常大，即使實驗中FeCl3的濃度非常小，2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl依然正向進行，且該原電池電流能持續(xù)很長時間，要在課堂40min內(nèi)觀察到電流衰減為0十分困難。另外，在多組實驗中，電流忽大忽小，很不穩(wěn)定，但都呈現(xiàn)了總體增大的趨勢。可見，除了濃度以外，還有其他因素影響了FeCl3與KI反應(yīng)速率。復雜的影響因素情況可能會干擾學生的核心知識學習。

2.電流能否在課堂40min內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減小的過程

為了幫助學生理解“反應(yīng)過程中電流大小與反應(yīng)速率有關(guān)，而隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)速率將逐漸減小，因此，電流將逐漸減小”這個原理，筆者進行了多組不同濃度的實驗，嘗試讓學生觀察到2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl反應(yīng)中，電流隨著反應(yīng)的進行而逐漸減小的過程。

經(jīng)過多次實驗，找到了比較適合的濃度方案，其中三組對比如表2及圖2：

多次實驗表明，F(xiàn)eCl3與KI的反應(yīng)過程中，F(xiàn)eCl3的濃度即使較小，反應(yīng)開始時的速率也呈現(xiàn)了逐漸增大的趨勢。除了濃度以外，鹽橋、局部的離子濃度變化、空氣等，可能影響了FeCl3與KI的反應(yīng)速率。如果要在課堂上將反應(yīng)速率與原電池知識聯(lián)系學習，應(yīng)該選擇第2組或第3組實驗。

3.在課堂上呈現(xiàn)“可逆”原電池

筆者選取第3組實驗方案在課堂上進行實驗教學。點擊“開始”按鈕以后，學生在投影幕上可實時觀察到原電池電流在每一秒中的數(shù)據(jù)變化。反應(yīng)進行到約350秒時，向盛有FeCl2、FeCl3溶液的小燒杯A中加入了約1滴管0.1mol/LFeCl3溶液，得圖3。

學生觀察到電流曲線從開始時的逐漸變小到平穩(wěn)，到FeCl3濃度增大時，電流由負變正，學生們都表現(xiàn)得十分驚奇，學習興趣、探究熱情一下就高漲起來了。

在教學過程中，通過以下幾個問題引導學生學習：

（1）電流為負，說明2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl正在向哪邊進行？

微電流傳感器的紅線連接石墨，浸入FeCl3、FeCl2混合溶液的小燒杯A中;微電流傳感器的黑線連接石墨，浸入KI、I2混合溶液的小燒杯B中。如果小燒杯A為正極區(qū)，小燒杯B為負極區(qū)，電流應(yīng)該為正?，F(xiàn)在電流為負，說明小燒杯A為負極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe2+_e-=Fe3+;小燒杯B為正極區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)：I2+2e=21-。即反應(yīng)正在向逆方向進行。

（2）向小燒杯A中加入約1滴管0.1mol/L FeCl3溶液后，曲線出現(xiàn)如上圖所示的突變，說明什么？

電流由負變?yōu)檎f明反應(yīng)方向發(fā)生了變化。原來的小燒杯A（負極區(qū)）變?yōu)榱苏龢O區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)：Fe3++e-=Fe2+;原來的小燒杯B（正極區(qū)）變?yōu)榱素摌O區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)：21--2e-=I2。通過改變濃度，實現(xiàn)了反應(yīng)方向的逆轉(zhuǎn)。

（3）反應(yīng)初始階段，電流的變化趨勢是怎樣的？聯(lián)系物理學到的“電流強度”的定義及化學平衡的特點，思考：電流大，表示該化學反應(yīng)的哪個物理量大？如果電流為0，表示什么？

在初始階段，曲線上升。學生很容易誤會，此時電流在增大。但是，學生通過討論，很容易明白縱坐標的負號只表示反應(yīng)的方向，數(shù)據(jù)的絕對值才表示電流的大小。

物理學到的“電流強度”是指單位時間內(nèi)通過一定橫截面的電量多少。學生能迅速聯(lián)想到，電流強度越大，即表示單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)越多，也即化學反應(yīng)進行得越快，反應(yīng)速率越大。所以，電流大，表示化學反應(yīng)速率大;電流為0，表示反應(yīng)“靜止”，即反應(yīng)到達了平衡狀態(tài)。

（4）通過以下經(jīng)典習題，對所學知識進行鞏固：

某小組同學欲探究可逆反應(yīng)As0;-+12+20H-=AsO3-+21-+H2O。設(shè)計如圖4所示裝置。加入試劑并連接裝置，電流由C：流入C，。當電流變?yōu)榱銜r，向圖3裝置左邊燒杯中逐滴加入一定量2mol/L鹽酸，發(fā)現(xiàn)又產(chǎn)生電流，實驗中電流與時間的關(guān)系如圖5所示。

①a、b、c中，能表示反應(yīng)正在向生成I2方向進行的是

。

②圖5中As0;-的逆反應(yīng)速率：a__ b（填“>”“<”或“=”）。

③能判斷該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是 ___

。

a.2v（l-）正=”（AsO3-）逆 b.溶液的pH不再變化

c.電流表示數(shù)變?yōu)榱?/p>

d.溶液顏色不再變化

三、研究體會：

1.數(shù)字化實驗使抽象的反應(yīng)方向在課堂上清晰可視

通過調(diào)整反應(yīng)物的濃度，使用數(shù)字化實驗，使本來現(xiàn)象不太明顯、耗時很長的實驗，改進為在課堂上可即時觀察到化學反應(yīng)方向改變的演示實驗。通過曲線圖中電流方向隨時間的變化分析，可直觀地觀察到原電池反應(yīng)方向的變化。學生對于如此清晰的曲線變化，表現(xiàn)出了極大的求知欲與濃厚的興趣，有利于下一步的化學學習。

2.跨學科、跨知識塊學習，培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)

高中化學學科核心素養(yǎng)是高中學生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學生綜合素質(zhì)的具體表現(xiàn)，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學課程學習對學生未來發(fā)展的重要價值[2]。學生的化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，必須通過化學學科核心內(nèi)容的探究學習。

學生在課堂上對實驗的探究、討論分析的過程中，通過物理學中“電流強度”的定義，聯(lián)系到化學中氧化還原反應(yīng)的得失電子，進而分析出電流強度大，表示反應(yīng)速率快，這個過程的學習，滲透了“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的培養(yǎng)。加入濃的FeCl3溶液后，電流方向的改變，指示了反應(yīng)方向的改變，使抽象的概念可視化，這是“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的滲透。

參考文獻

[1]王繼璋.設(shè)計電化學實驗理解化學平衡及平衡移動[J].中學化學教學參考，2019（5）：48-49

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

2018年廣州市天河區(qū)教育科學“十三五”規(guī)劃課題《數(shù)字化實驗在中學化學教學中的開發(fā)與應(yīng)用研究》（立項編號：2018Y005）研究成果