利用pH傳感器探究“二氧化碳與水的反應(yīng)”

許艷梅

摘要：人教版《初中化學(xué)》上冊(cè)第六單元實(shí)驗(yàn)6-5，探究了“二氧化碳能與水的反應(yīng)”的化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳性質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。但是該實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，課堂教學(xué)內(nèi)容不易落實(shí)，更不能凸顯探究實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、直觀性。利用手持技術(shù)改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)，用pH傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定液體pH從7.0降至4.34，直觀地證明CO₂和水反應(yīng)產(chǎn)生酸;還可以通過(guò)壓強(qiáng)傳感器測(cè)定密閉容器中氣體壓強(qiáng)的變化來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中分析數(shù)據(jù)的能力。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù);pH傳感器;二氧化碳和水反應(yīng);數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）03x-0081-02??? 中圖分類號(hào)：G632.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.020

一、問(wèn)題的由來(lái)

“二氧化碳與水的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)出自人民教育出版社《初中化學(xué)》上冊(cè)第六單元的實(shí)驗(yàn)6-5[1]。（圖1）

教材用四朵石蕊溶液染成的紫色干燥紙花分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（I）第一朵紙花噴稀醋酸后變紅，說(shuō)明酸能使紫色石蕊溶液變紅。

（II）第二朵紙花噴水不變色，說(shuō)明水不能使紫色石蕊變色。

（III）第三朵紙花直接放入干燥的二氧化碳?xì)怏w中不變色，說(shuō)明二氧化碳不能使紫色石蕊變色。

（IV）第四朵紙花先噴水后再放入充滿二氧化碳的集氣瓶中，紙花變紅，說(shuō)明二氧化碳與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新物質(zhì)碳酸。

該實(shí)驗(yàn)利用二氧化碳溶于水使紙花變紅的過(guò)程，來(lái)探究二氧化碳與水反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳性質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。但是該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，步驟繁瑣容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，而且紫色石蕊小花從紫色變紅色現(xiàn)象不太明顯。課堂教學(xué)內(nèi)容不易落實(shí)，更不能凸顯探究實(shí)驗(yàn)的趣味性、科學(xué)性、直觀性。

利用pH傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定液體的pH值可以直觀地證明CO₂與水反應(yīng)產(chǎn)生酸;還可以通過(guò)壓強(qiáng)傳感器測(cè)定密閉容器中氣體壓強(qiáng)的變化來(lái)培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中分析數(shù)據(jù)的能力[2]。

二、實(shí)驗(yàn)用品

啟普發(fā)生器、升降臺(tái)、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、250 mL三頸燒瓶1個(gè)、兩個(gè)單孔橡膠塞、一個(gè)雙孔橡膠塞、注射器（50 mL）、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器（Vernier pH Sensor）、壓強(qiáng)傳感器（Vernier GPS-BTA）、膠皮管、玻璃導(dǎo)管。

石灰石、稀鹽酸、水、小木條、火柴。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

1.按圖2所示連接儀器，檢查裝置氣密性;

2.測(cè)蒸餾水的pH;

3.在啟普發(fā)生器中加入石灰石和稀鹽酸產(chǎn)生二氧化碳，再用向上排空氣法讓二氧化碳?xì)怏w充滿三頸燒瓶，將盛有50 mL水的注射器和氣體壓強(qiáng)傳感器通過(guò)橡膠塞固定到三頸燒瓶中間一口中，并將pH傳感器也通過(guò)橡膠塞固定到三頸燒瓶上，將兩只傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接。

4.將壓強(qiáng)校準(zhǔn)為0 kPa，點(diǎn)擊開(kāi)始采集，17 s時(shí)將注射器中50 mL水勻速注入，通過(guò)pH傳感器與壓強(qiáng)傳感器來(lái)檢測(cè)瓶?jī)?nèi)的變化;

5.1032 s，通過(guò)充分振蕩鐵架臺(tái)來(lái)振蕩燒瓶，測(cè)量瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)和pH的變化，1500 s時(shí)停止采集見(jiàn)圖3和圖4。

四、注意事項(xiàng)

1.實(shí)驗(yàn)0 s至83 s的這段時(shí)間，pH傳感器探頭與液體沒(méi)有充分接觸，所以顯示的數(shù)值有異常。隨著蒸餾水的不斷注入，83 s后，pH傳感器的探頭逐漸充分接觸液體，數(shù)值逐漸正常，圖3記錄的是83 s至1500 s 這段時(shí)間pH的變化情況。1032 s時(shí)振蕩燒瓶的過(guò)程中pH傳感器與液體沒(méi)有充分接觸導(dǎo)致數(shù)據(jù)有一些異常，一段時(shí)間后又恢復(fù)穩(wěn)定。

2.在實(shí)際課堂上利用pH傳感器探究二氧化碳與水的反應(yīng)，只需要84 s至300 s這個(gè)時(shí)間段pH的數(shù)據(jù)就可以說(shuō)明有酸產(chǎn)生，操作上更高效。

3.為了了解在密閉裝置（250 mL燒瓶）中50 mL 蒸餾水靜置時(shí)可以吸收多少二氧化碳，壓強(qiáng)可以降低至多少（0 s至1500 s整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相對(duì)壓強(qiáng)的變化情況如圖4），pH可以降低至多少，我們延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

4.盡量將裝置固定好，通過(guò)振蕩鐵架臺(tái)來(lái)振蕩三頸燒瓶，避免手直接接觸三頸瓶，使手的溫度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5.注入蒸餾水之后，需將注射器恢復(fù)到原刻度，抵消因液體的注入導(dǎo)致氣壓的變化。

6.注入蒸餾水也要?jiǎng)蛩?，拉?dòng)注射器至初始位置也要?jiǎng)蛩佟?/p>

7.裝置的氣密性十分重要。

五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)分析和解釋

1.注入50 mL蒸餾水之前，測(cè)得蒸餾水的pH為7.02。

2.17 s注入水后，氣體被壓縮，氣壓瞬間增大，54 s時(shí)，50 mL蒸餾水全部注入，相對(duì)壓強(qiáng)增大到13.78 kPa（相對(duì)壓強(qiáng)傳感器初始值校準(zhǔn)為0）。83 s時(shí)pH為4.47，pH從7.02降低至4.47，證明二氧化碳與水反應(yīng)產(chǎn)生了酸。

3.54 s至100 s，將注射器勻速推動(dòng)活塞回到初始位置，氣壓大幅度減小，小于初始?jí)簭?qiáng)，降低到-3.05 kPa。這主要是因?yàn)槠渌麠l件相同時(shí)，氣體被抽走，氣體壓強(qiáng)降低。而且有部分二氧化碳溶于50 mL水中，故壓強(qiáng)降低至0 kPa以下。pH從4.47增大為4.59，可能是其他條件不變時(shí)，壓強(qiáng)降低使溶解在水中的二氧化碳變少。

4.注射器活塞拉回到50 mL后，關(guān)閉注射器的活塞，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，每隔100 s讀取一個(gè)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，如表1。

通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，100s往后二氧化碳?xì)怏w還在不斷溶解，導(dǎo)致氣體壓強(qiáng)持續(xù)減小。同時(shí)有更多的碳酸產(chǎn)生，導(dǎo)致pH降低。此時(shí)，氣體壓強(qiáng)和pH降低速度均很慢。

5.1032s時(shí)，振蕩燒瓶，每隔100s讀取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

通過(guò)對(duì)比振蕩前和振蕩后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)振蕩可以讓二氧化碳和水充分接觸，充分溶解，充分反應(yīng)，故pH與相對(duì)壓強(qiáng)都出現(xiàn)了較明顯的下降直至1400s達(dá)到平衡。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，pH從7.0降低至4.34，證明二氧化碳和水反應(yīng)產(chǎn)生酸。

七、反思

1.實(shí)驗(yàn)中需要?jiǎng)蛩僮⑷胨蛣蛩倮瓌?dòng)注射器回到原刻度，拉動(dòng)注射器的快慢會(huì)影響氣壓的實(shí)際變化情況。

2.存在的問(wèn)題：CO₂中混有HCl和水蒸氣，可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有影響。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.義務(wù)教育教科書(shū)（化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]陳少俊，陳丹云，衷明華.基于手持技術(shù)探究催化劑用量對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016 （3）：62.