溶液配制中洗滌操作的實(shí)驗(yàn)探究

馬力 趙雯 呂春輝

摘要： 借助氯離子數(shù)字化傳感器，對(duì)配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液實(shí)驗(yàn)中洗滌2～3次操作的實(shí)際效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)第一次洗滌并轉(zhuǎn)移能夠?qū)⒔^大部分溶液殘留轉(zhuǎn)移，洗滌2次并轉(zhuǎn)移則能夠基本將溶液殘留完全轉(zhuǎn)移，定量且直觀地驗(yàn)證了教材中“需用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒2～3次”的實(shí)驗(yàn)要求，證據(jù)性強(qiáng)，易于學(xué)生理解。此外，通過(guò)對(duì)使用不同容積的燒杯以及不同溶解用水量等因素的探究，得出配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液的實(shí)驗(yàn)中燒杯內(nèi)溶液的殘留主要與燒杯和溶液的接觸面積等因素有關(guān)。

關(guān)鍵詞： 物質(zhì)的量濃度; 溶液配制; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）02007104

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在必修課程主題1“化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究”中將配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液列為了學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)[1]。人教版[2]、魯科版[3]、蘇教版[4]、滬科版[5]四個(gè)版本教材均不約而同地將配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液作為高中學(xué)生首個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，其重要程度可見(jiàn)一斑。而作為高中學(xué)生首個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，其承載的并不單單是實(shí)驗(yàn)本身的，還有初高中銜接、定性到定量思維融合等更深層次的教學(xué)意義。在四個(gè)版本的教材中，人教版、蘇教版、滬科版均在實(shí)驗(yàn)操作步驟中提到了“用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒2～3次”;魯科版則是以留白的方式要求學(xué)生“將溶解后的溶質(zhì)全部轉(zhuǎn)移到容量瓶中”;人教版、滬科版更是在實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題討論中要求學(xué)生思考“用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒2～3次”的原因。

為什么要用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒？通過(guò)簡(jiǎn)單推理似乎并不困難，學(xué)生也能較輕松地去理解轉(zhuǎn)移時(shí)溶液殘留的問(wèn)題。但為什么需要洗滌的次數(shù)為2～3次，不僅僅是學(xué)生理解存在困難，教師往往也只能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行講解。由于配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液作為學(xué)生在高中階段接觸到的第一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，能否通過(guò)定量的手段說(shuō)明需要洗滌2～3次的原因，從而培養(yǎng)學(xué)生的定量思維，值得我們思考。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的定量研究極少，基于此，筆者進(jìn)行了以下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到由于在配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液實(shí)驗(yàn)中存在多個(gè)環(huán)節(jié)可能造成實(shí)驗(yàn)誤差，以及數(shù)字傳感器量程限制的問(wèn)題，因此在本實(shí)驗(yàn)中主要通過(guò)檢測(cè)每次洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒后的洗滌液中氯離子濃度，從而從數(shù)字化角度直觀展現(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)溶液殘留等問(wèn)題，幫助學(xué)生更好地理解洗滌2～3次操作的相關(guān)意義。

實(shí)驗(yàn)采用Vernier無(wú)線氯離子傳感器（量程1～35000mg/L）對(duì)洗滌液中氯離子濃度進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中將Vernier無(wú)線氯離子傳感器通過(guò)鐵架臺(tái)予以固定（如圖1所示），由升降臺(tái)升降盛有洗滌液的燒杯進(jìn)行測(cè)定，從而盡可能避免手持傳感器不夠穩(wěn)定而造成測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。

鑒于各版本教材對(duì)配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液實(shí)驗(yàn)的要求存在細(xì)微差異，如人教版中要求配制100mL 1.00mol/L NaCl溶液，滬科版中則是要求配制100mL 1.000mol/L NaCl溶液，魯科版中要求配制100mL 0.400mol/L NaCl溶液，蘇教版則是要求配制100mL 0.100mol/L Na2CO3溶液。四個(gè)版本的教材只有人教版對(duì)溶解固體溶質(zhì)的蒸餾水體積規(guī)定為40mL，其他版本的教材僅僅是提及用適量蒸餾水進(jìn)行溶解，滬科版、蘇教版教材還對(duì)溶解過(guò)程中使用燒杯的規(guī)格定為100mL等。因此在本實(shí)驗(yàn)的探究中，選擇以配制氯化鈉溶液為例，并綜合溶解度等多方面因素的考慮，選取溶解時(shí)使用不同規(guī)格燒杯（50mL、 100mL）、溶解時(shí)加入不同體積蒸餾水（40mL、 30mL、 20mL）、配制不同濃度溶液（1.000mol/L、 0.400mol/L），分別對(duì)3次洗滌后洗滌液中氯離子的濃度進(jìn)行檢測(cè)。此外，實(shí)驗(yàn)中為了確保NaCl完全溶解，在肉眼觀察到NaCl固體完全溶解后，均靜置5分鐘，再進(jìn)行轉(zhuǎn)移、洗滌、測(cè)量等操作。洗滌時(shí)控制每次蒸餾水用量均為15mL，并盡可能保證每次洗滌的方式、頻率、時(shí)間一致。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

2.2.1 多次洗滌后洗滌液中氯離子濃度的變化

由于燒杯中溶液在轉(zhuǎn)移后，殘留在燒杯中溶液的量存在一定的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大差異，因此本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中則以轉(zhuǎn)移至燒杯中不存在肉眼可見(jiàn)的明顯液滴后再進(jìn)行洗滌測(cè)量，并通過(guò)三次平行實(shí)驗(yàn)以減小誤差。實(shí)驗(yàn)中對(duì)燒杯的潔凈程度要求較高，不夠潔凈的燒杯也往往會(huì)存在較多溶液掛壁的現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果差異較大。表1為配制1.000mol/L與0.400mol/L NaCl溶液（選用100mL燒杯），均加入40mL蒸餾水溶解后，各用15mL蒸餾水洗滌三次時(shí)，每次洗滌液中氯離子濃度的變化情況。

通過(guò)分析表1數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是配制1.000mol/L還是0.400mol/L的NaCl溶液，第一次洗滌后洗滌液中氯離子濃度均較高，而第二次洗滌后洗滌液中氯離子濃度則大幅下降，均維持在個(gè)位數(shù)，可見(jiàn)第一次洗滌能夠大幅度減少溶液殘留。由于本次實(shí)驗(yàn)中選用的Vernier無(wú)線氯離子傳感器，其量程為1～35000mg/L，當(dāng)3次洗滌后洗滌液中氯離子濃度已降至傳感器最低量程1mg/L以下，故記錄為低于傳感器最低量程1mg/L。由此也可以得出，用15mL水洗滌1次并轉(zhuǎn)移時(shí)已能將絕大部分溶液殘留轉(zhuǎn)移，洗滌2次并轉(zhuǎn)移則能夠基本將溶液殘留完全轉(zhuǎn)移。當(dāng)然如若在前述溶液轉(zhuǎn)移過(guò)程中存在較多溶液掛壁現(xiàn)象以及洗滌時(shí)可能存在加入蒸餾水較少等情況，洗滌3次并轉(zhuǎn)移則可以有效保證溶液殘留完全轉(zhuǎn)移?？梢?jiàn)，教材中規(guī)定的用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒2～3次，是有科學(xué)道理的。

2.2.2 溶解時(shí)加入不同體積蒸餾水對(duì)溶液殘留的影響

人教版對(duì)溶解固體溶質(zhì)的蒸餾水體積規(guī)定為40mL，其他版本的教材則僅僅是提及用適量蒸餾水進(jìn)行溶解。那么溶解時(shí)加入不同體積蒸餾水對(duì)溶液殘留又會(huì)有怎樣的影響呢？考慮到氯化鈉的溶解度，選擇溶解時(shí)分別加入40mL（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)2.2.1表1第一行）、30mL、 20mL蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表2為配制1.000mol/L NaCl溶液（選用100mL燒杯）加入不同體積蒸餾水溶解，靜置5分鐘后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并各用15mL蒸餾水洗滌3次時(shí)，每次洗滌液中氯離子濃度的情況。

結(jié)合表1配制1.000mol/L NaCl溶液加入40mL蒸餾水溶解、洗滌后對(duì)應(yīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，以及表2加入30mL、 20mL蒸餾水溶解、洗滌后對(duì)應(yīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)溶解時(shí)加入不同體積的蒸餾水確實(shí)對(duì)溶液殘留存在影響。但是有趣的是，隨著溶解水量的減少，洗滌液中的氯離子濃度也隨之減小。這與我們預(yù)想的因?yàn)槿芙馑盟可伲沟脷埩羧芤旱臐舛雀?，從而?dǎo)致測(cè)得洗滌液中的氯離子濃度高，并不一致。分析其原因則可能是當(dāng)溶解加入蒸餾水量較少時(shí)，其溶液與燒杯的接觸面積相對(duì)較小，溶液殘留也相對(duì)較少，從而導(dǎo)致洗滌后洗滌液中的氯離子濃度相對(duì)較小。

而通過(guò)表1、表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)，我們似乎可以得出在配制1.000mol/L NaCl溶液的實(shí)驗(yàn)中加入20mL蒸餾水進(jìn)行溶解，其溶液殘留相對(duì)較少，但是我們也可以發(fā)現(xiàn)在多次洗滌后，原來(lái)溶解時(shí)加入不同體積蒸餾水對(duì)溶液殘留的影響已是微乎其微。

2.2.3 溶解時(shí)選用不同規(guī)格的燒杯對(duì)溶液殘留的影響

滬科版、蘇教版教材對(duì)溶解過(guò)程中使用燒杯的規(guī)格定為100mL，人教版、魯科版教材則未有規(guī)定。那么配制1.000mol/L NaCl溶液選用不同規(guī)格的燒杯對(duì)溶液殘留是否存在影響呢？于是我們選擇50mL燒杯加入不同體積蒸餾水溶解，靜置5分鐘后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移、洗滌，并測(cè)量各用15mL蒸餾水洗滌3次時(shí)每次洗滌液中氯離子濃度的情況，與前述選用100mL燒杯的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。

通過(guò)分析表3數(shù)據(jù)，在一定程度上進(jìn)一步驗(yàn)證了前述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。而對(duì)比表2、表3數(shù)據(jù)我們則可以發(fā)現(xiàn)，選用50mL燒杯進(jìn)行溶解時(shí)，其溶液殘留量均小于100mL燒杯。以50mL燒杯底部直徑4.7厘米、100mL

燒杯底部直徑5.2厘米計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)，盛裝相同體積液體時(shí)，液體與50mL燒杯的接觸面積會(huì)小于與100mL燒杯的接觸面積，溶液殘留相對(duì)較少，從而造成上述數(shù)據(jù)的差異。當(dāng)然，通過(guò)比較，我們似乎可以得出，在配制1.000mol/L NaCl溶液實(shí)驗(yàn)中選用50mL燒?杯進(jìn)行溶解，其溶液殘留相對(duì)較少，但是在多次洗滌后，卻早已消除了其影響。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與思考

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)探究每次洗滌后洗滌液中氯離子濃度的變化，嘗試從定量的角度分析配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液中各次洗滌操作的效果，得出了以下結(jié)論：

（1） 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)第一次洗滌并轉(zhuǎn)移已能夠?qū)⒔^大部分溶液殘留轉(zhuǎn)移（以本實(shí)驗(yàn)歷次數(shù)據(jù)最大值計(jì)算，其溶液殘留造成誤差僅為0.0024%），洗滌2次并轉(zhuǎn)移則能夠基本將溶液殘留完全轉(zhuǎn)移，驗(yàn)證了教材中“需用少量蒸餾水洗滌燒杯內(nèi)壁和玻璃棒2～3次”的實(shí)驗(yàn)要求是有科學(xué)道理的。

（2） 通過(guò)對(duì)使用不同容積的燒杯以及不同溶解用水量等因素的探究，發(fā)現(xiàn)這些因素雖然對(duì)最終洗滌并轉(zhuǎn)移后的結(jié)果影響不大，但燒杯中的溶液殘留還是與燒杯和溶液的接觸面積等因素有關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)探究的目的并不止于此。筆者在此基礎(chǔ)上還進(jìn)行了以下思考：

（1） 在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師可以嘗試引導(dǎo)學(xué)生親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)手持技術(shù)手段對(duì)化學(xué)科學(xué)創(chuàng)新的重要價(jià)值。其實(shí)，在任何實(shí)驗(yàn)探究中教師都不應(yīng)該把知識(shí)僅僅當(dāng)成結(jié)論告知給學(xué)生，而是讓學(xué)生在自我需求的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中的合作和探究自主完成知識(shí)的建構(gòu)、實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的轉(zhuǎn)變和發(fā)展[6]，力求通過(guò)實(shí)驗(yàn)真正讓“靜”的知識(shí)“動(dòng)”起來(lái)，促成知識(shí)的動(dòng)態(tài)生成。

（2） 配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液是中學(xué)化學(xué)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。然而，越經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，教師在日常教學(xué)中越容易忽略對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的思考。在信息化、數(shù)字化高度發(fā)展的今天，教師更應(yīng)該利用好教材以及教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，借助數(shù)字化儀器設(shè)備，不斷思考創(chuàng)新，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出更富時(shí)代特征、更符合素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，使經(jīng)典實(shí)驗(yàn)在傳承的同時(shí)能夠與時(shí)俱進(jìn)、煥發(fā)新生。

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