數(shù)字化實(shí)驗(yàn)助力化學(xué)概念、原理的深刻理解
——傳感器在電離平衡和水解平衡中的應(yīng)用

北京 王 哲 裴秀煥

一、問題提出

“學(xué)好化學(xué)應(yīng)掌握足夠的理論和充分的事實(shí)”，戴安邦先生指出“化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是實(shí)施全面化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式”，可見實(shí)驗(yàn)事實(shí)在學(xué)習(xí)化學(xué)過程中的重要作用。高中化學(xué)課程選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》中，闡述了化學(xué)平衡及平衡移動(dòng)等重要的化學(xué)理論，而弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類水解平衡、沉淀溶解平衡是化學(xué)平衡的延伸和拓展，也是化學(xué)平衡理論的重要應(yīng)用。對(duì)這些平衡過程的分析，體現(xiàn)了化學(xué)平衡理論的指導(dǎo)作用。由于這些平衡的建立和移動(dòng)等內(nèi)容具有一定的抽象性，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以透徹理解，常常存在死記硬背、生搬硬套等現(xiàn)象。

近年來發(fā)展迅速的傳感器具有靈敏度高、使用簡(jiǎn)單、可以檢測(cè)濃度極低的物質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6)等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年的教學(xué)中，借助傳感器進(jìn)行的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)越來越普遍，pH傳感器、壓力傳感器等尤其受老師們青睞。傳統(tǒng)的用試管、燒杯難以完成的定量實(shí)驗(yàn)，借助傳感器采集的數(shù)據(jù)，能為實(shí)驗(yàn)結(jié)論提供直觀的強(qiáng)有力證據(jù)。在弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類水解平衡移動(dòng)的教學(xué)中，借助傳感器能將微觀反應(yīng)可視化、抽象理論具體化，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)化學(xué)概念、原理的深刻理解提供了強(qiáng)大助力。

二、教學(xué)實(shí)踐

1.電離平衡的構(gòu)建及平衡移動(dòng)

人民教育出版社2020年版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》中，強(qiáng)、弱電解質(zhì)及弱電解質(zhì)的電離平衡內(nèi)容與以往教材不同，新教材引入了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，證據(jù)更充分，更有利于學(xué)生理解和構(gòu)建弱電解質(zhì)及電離平衡概念，具體內(nèi)容呈現(xiàn)見表1。

表1 弱電解質(zhì)電離平衡在新教材中的呈現(xiàn)

【實(shí)驗(yàn)3-1】中的現(xiàn)象和溶液pH、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)表明，相同物質(zhì)的量濃度的鹽酸和醋酸中H+濃度不同，即HCl和CH3COOH的電離程度不同，學(xué)生據(jù)此理解醋酸等弱電解質(zhì)的概念。借助【思考與討論】中壓強(qiáng)傳感器采集的反應(yīng)過程中的氣體壓強(qiáng)變化圖像，能直觀地表示出等體積、等濃度的兩種酸與等量鎂條反應(yīng)產(chǎn)生氣體的差別，一定時(shí)間內(nèi)鹽酸產(chǎn)生氣體的速率比醋酸快，表明開始階段鹽酸大于醋酸中氫離子濃度，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鹽酸中的H+被快速消耗，醋酸中的H+被不斷電離出來，使醋酸中的H+得以補(bǔ)充，二者與鎂條反應(yīng)的速率趨于相等；由于等體積、等濃度的兩種酸中氫離子的物質(zhì)的量相等，最終二者生成的氣體體積相等。再結(jié)合【思考與討論】中的問題討論，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對(duì)醋酸電離過程的理解及醋酸電離平衡的建立，借助氣體壓強(qiáng)的變化圖像，減少了學(xué)生對(duì)醋酸電離過程想象的盲目性。教師在教學(xué)中處理【思考與討論】時(shí)，還可以在原有的兩個(gè)問題前后，分別增加一個(gè)簡(jiǎn)單問題①和問題④：①2 mL 2 mol·L-1的鹽酸和醋酸中含有溶質(zhì)的物質(zhì)的量、最終電離出的氫離子的物質(zhì)的量是否相等？④用化學(xué)用語解釋0.1 mol·L-1的鹽酸和醋酸，為什么鹽酸的pH=1，而醋酸的pH>1？設(shè)置問題①和④的目的不是為了計(jì)算，而是要用問題①引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注兩種一元酸中溶質(zhì)的物質(zhì)的量、最終電離出的氫離子的物質(zhì)的量都相等，而產(chǎn)生氣體的速率不同，但是氣體總量相等；問題④既是對(duì)【實(shí)驗(yàn)3-1】現(xiàn)象的解釋，也是對(duì)剛剛構(gòu)建的電離平衡概念的應(yīng)用。

圖1 鹽酸和醋酸稀釋過程中溶液pH隨時(shí)間變化示意圖

2.水解平衡影響因素

能夠水解的鹽溶液中，存在水的電離平衡和鹽中弱離子的水解平衡，外界條件(溫度、濃度和溶液酸堿性等)的改變會(huì)對(duì)溶液中的平衡產(chǎn)生影響，為了更直觀地展現(xiàn)鹽類水解平衡移動(dòng)中微粒濃度的細(xì)微變化，避免影響水解的因素分析變成枯燥的理論推演和結(jié)論的死記硬背，老師們嘗試將數(shù)字化手持技術(shù)引進(jìn)課堂。以下借助pH傳感器，以FeCl3、Na2CO3、NaHCO3溶液為研究對(duì)象，探究濃度、溫度對(duì)鹽類水解的影響。

2.1 濃度對(duì)水解平衡的影響——以FeCl3水解為例

人民教育出版社2020年版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》中，以實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行“反應(yīng)條件對(duì)FeCl3水解平衡的影響”的探究，探究中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，主要以觀察外界條件改變前后溶液顏色的變化作為分析依據(jù)。在進(jìn)行溫度和生成物濃度(即外加酸或堿)條件的探究中，可增加對(duì)照實(shí)驗(yàn)排除Fe3+顏色變化的干擾，但是，對(duì)于反應(yīng)物濃度的改變(例如增大FeCl3濃度)，很難通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)排除Fe3+顏色(Fe3+濃度增大，溶液顏色也會(huì)加深)的干擾。而借助pH傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠突破單純通過觀察顏色的局限性。具體過程見表2。

表2 利用pH傳感器探究濃度的改變對(duì)FeCl3水解平衡的影響

2.2 溫度對(duì)鹽溶液pH的影響——以Na2CO3和NaHCO3溶液為例

2.2.1 溫度改變對(duì)Na2CO3溶液pH影響的綜合分析

圖4 升溫過程中Na2CO3溶液pH變化曲線

圖5 降溫過程中Na2CO3溶液pH變化曲線

2.2.2 溫度改變對(duì)NaHCO3溶液pH影響的綜合分析

圖6 升溫過程中NaHCO3溶液pH變化曲線

圖7 降溫過程中NaHCO3溶液pH變化曲線

三、總結(jié)與反思

教師借助傳感器進(jìn)行電離平衡相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，將強(qiáng)、弱電解質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行了直觀的定性表達(dá)，簡(jiǎn)潔明了，說服力強(qiáng)；教師利用pH傳感器探究濃度對(duì)FeCl3水解平衡的影響，實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)潔，并且對(duì)FeCl3溶液的濃度沒有嚴(yán)格要求，學(xué)生只需關(guān)注實(shí)驗(yàn)前后FeCl3溶液濃度大小的變化，實(shí)驗(yàn)圖像直觀形象，解決了單純通過觀察顏色判斷平衡移動(dòng)時(shí)Fe3+顏色干擾的問題；教師利用pH傳感器測(cè)定升溫、降溫條件下Na2CO3、NaHCO3溶液的pH變化，借助曲線變化的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，幫助學(xué)生分析復(fù)雜體系中多種化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)，避免學(xué)生主觀臆斷得出結(jié)論，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力及證據(jù)意識(shí)。

數(shù)字傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微量變化的數(shù)據(jù)采集，將微觀變化轉(zhuǎn)化為可視化的宏觀現(xiàn)象，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法比擬的。學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)的“燒杯+試管”實(shí)驗(yàn)無法解決的困擾，可以借助傳感器等精密度高的儀器進(jìn)行定性或定量的微觀探測(cè)，一方面避免主觀臆斷形成錯(cuò)誤認(rèn)知，另一方面提升“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，體會(huì)信息技術(shù)、科技進(jìn)步在化學(xué)學(xué)科發(fā)展中的重要意義。