借助手持技術(shù)探究水的電離影響因素

趙 瑞，陳婭娟，李 睿

(云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 問題的提出

水為弱電解質(zhì)，能夠發(fā)生微弱電離，其電離過程受到外界條件的影響。例如，溫度、酸、堿、鹽和部分金屬的影響。然而，水電離過程的變化不能通過肉眼直觀地觀察，致使學(xué)生難以理解此部分內(nèi)容。另外，在人教版高中化學(xué)選擇性必修1第三章模塊中并未呈現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，但在相關(guān)測試中往往會(huì)考查。通過對(duì)近幾年高考試題的分析發(fā)現(xiàn)：試題常涉及對(duì)化學(xué)平衡圖表分析的考查。因此，借助手持技術(shù)對(duì)“水的電離影響因素”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅有利于發(fā)展“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”學(xué)科核心素養(yǎng)，而且培養(yǎng)分析、概括總結(jié)能力，具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)通過手持技術(shù)直觀、實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)水電離受到酸、堿和鹽影響時(shí)的曲線，以圖像形式表征，將微觀化學(xué)變化可視化，以及通過Kw、c(H+)H2O和c(OH-)H2O關(guān)系，驗(yàn)證外界條件對(duì)水的電離的影響程度。直觀及時(shí)的圖像和清晰的驗(yàn)證過程，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)真正的理解。本實(shí)驗(yàn)中因溫度對(duì)水電離的影響程度極小，圖像變化趨勢不明顯，由此不予其探討。

手持技術(shù)由傳感器(本實(shí)驗(yàn)主要采用pH傳感器)、數(shù)據(jù)采集器、DISLab軟件組成，通過數(shù)據(jù)采集器采集和處理pH傳感器監(jiān)測的pH值，將其傳輸給電腦，軟件自動(dòng)繪圖[1]。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

儀器：DISLab系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、磁力攪拌器、傳感器連接線、USB連接線、50 mL 燒杯、玻璃棒、分析天平、藥匙、鐵架臺(tái)。

藥品：蒸餾水、0.1 mol/L 稀HCl溶液、0.1 mol/L 稀NaOH溶液、1.0000 g 碳酸鈉、1.0000 g 氯化銨、1.0000 g 醋酸銨。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)選取實(shí)驗(yàn)原料原則：易得、廉價(jià)、環(huán)保等，本實(shí)驗(yàn)選取HCl、NaOH、Na2CO3、NH4Cl、CH3COONH4為主要試劑，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1)用蒸餾水清洗傳感器并校準(zhǔn)[2]；

2)分別稱取 1.0000 g NH4Cl固體粉末、1.0000 g Na2CO3固體粉末、1.0000 g CH3COONH4固體粉末及 1.0000 g NaOH固體，配制 0.1 mol/L 稀HCl溶液和 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

實(shí)驗(yàn)一：取 100 mL 蒸餾水于 250 mL 燒杯中，連接裝置，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀HCl溶液，運(yùn)行軟件，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用蒸餾水清洗pH傳感器，并浸泡在 0.1 mol/L KCl溶液中。

實(shí)驗(yàn)二：步驟同上，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

實(shí)驗(yàn)三：同上，向其中加入 1.0000 g NH4Cl固體粉末。

實(shí)驗(yàn)四：同上，向其中加入 1.0000 g Na2CO3固體粉末。

實(shí)驗(yàn)五：同上，向其中加入 1.0000 g CH3COONH4固體粉末。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖5。

1)實(shí)驗(yàn)一

由圖1可知：純水的pH為7.2，向其中加入 0.1 mol/L稀HCl溶液(pH為1)，pH驟減；達(dá)到平衡時(shí)，pH為1.22，略大于1，存在較小誤差。由于純水pH為7.2，即水電離出的H+濃度為10-7.2mol/LF，根據(jù)c(H+)H2O=c(OH-)H2O,則水電離出的OH-濃度為 10-7.2mol/L，以及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O,可知此溫度下的KW為10-14.4。向水中加入稀鹽酸后，此時(shí)溶液中的H+主要有兩個(gè)來源：水的電離和鹽酸的完全電離，因此比較加入強(qiáng)酸前后OH-的濃度變化表征水的電離的影響程度。

圖1 實(shí)驗(yàn)一結(jié)果

依據(jù)c(H+)H2O=c(OH-)H2O、及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O計(jì)算任取加入強(qiáng)酸后的兩點(diǎn)：

pH為6時(shí)，c(H+)=10-6mol/L,c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-8.4mol/L<10-7.2mol/L；

pH為4時(shí)，c(H+)=10-4mol/L，c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-10.4mol/L<<10-7.2mol/L；

因此說明強(qiáng)酸抑制水的電離。

2)實(shí)驗(yàn)二

同理，向水中加入強(qiáng)堿，此時(shí)溶液中的OH-主要有兩個(gè)來源：水的電離和氫氧化鈉的完全電離，比較加入強(qiáng)堿前后的OH-濃度變化表征水的電離的影響程度。

圖2 實(shí)驗(yàn)二結(jié)果

依據(jù)c(H+)H2O=c(OH-)H2O及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O計(jì)算，任取加入強(qiáng)堿后的兩點(diǎn)：

pH為9時(shí)，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-9mol/L<10-7.2mol/L;

pH為11時(shí)，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-11mol/L<<10-7.2mol/L；

強(qiáng)堿抑制水的電離。

3)實(shí)驗(yàn)三

通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所得圖3分析：未加入NH4Cl固體時(shí)，c(H+)H2O=c(OH-)H2O=10-7.85mol/L；加入且達(dá)到平衡時(shí)，c(H+)H2O=10-6.64mol/L>10-7.85mol/L，因此證實(shí)強(qiáng)酸弱堿鹽促進(jìn)水的電離。

圖3 實(shí)驗(yàn)三結(jié)果

4)實(shí)驗(yàn)四

加入且達(dá)到平衡時(shí)，c(OH-)H2O=10-3.31mol/L>10-7.5mol/L，證實(shí)強(qiáng)堿弱酸鹽促進(jìn)水的電離。

圖4 實(shí)驗(yàn)四結(jié)果

5)實(shí)驗(yàn)五

圖5 實(shí)驗(yàn)五結(jié)果

2.5 實(shí)驗(yàn)反思

通過5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，筆者發(fā)現(xiàn)，每一組所測得的純水pH均存在較小偏差，可能是由于pH傳感器未洗凈導(dǎo)致。另外，依據(jù)鹽類水解等理論內(nèi)容，弱酸弱堿促進(jìn)水的電離程度應(yīng)大于強(qiáng)酸弱堿鹽，但本實(shí)驗(yàn)中兩組數(shù)據(jù)相差程度較小，主要是因?yàn)榇姿徜@易潮解，對(duì)水的電離的影響程度減弱。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究中，每組實(shí)驗(yàn)應(yīng)采用不同的燒杯，以及確保清洗干凈pH傳感器，并校準(zhǔn)；其次，鑒于弱酸弱堿鹽對(duì)水的電離的影響，不宜長時(shí)間將其暴露在空氣中。

3 結(jié)語

新時(shí)代人才培養(yǎng)需求發(fā)生改變，倡導(dǎo)構(gòu)建以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)，尊重學(xué)生個(gè)性化，借助信息技術(shù)架構(gòu)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，進(jìn)而促進(jìn)其全面發(fā)展[3]。手持技術(shù)將定性實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)研究，有利于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)原理；通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)繪制曲線，操作簡單方便，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[4]。

本實(shí)驗(yàn)借助手持技術(shù)將水的電離影響因素內(nèi)容直觀化，通過分析實(shí)驗(yàn)所得圖表，依據(jù)Kw=c(H+)H2O·c(OH-)H2O及c(H+)H2O=c(OH-)H2O計(jì)算水電離出的H+或OH-，進(jìn)而說明強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和鹽類對(duì)水的電離的影響程度。雖然實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步改進(jìn)，但將手持技術(shù)應(yīng)用于高中化學(xué)課堂教學(xué)，定性與定量相結(jié)合，可以增強(qiáng)理論內(nèi)容的說服力。另外，手持技術(shù)將微觀化學(xué)變化可視化，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)圖像實(shí)時(shí)、直觀地觀察和分析其化學(xué)變化，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)理解及化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。與此同時(shí)，信息技術(shù)“走進(jìn)”高中化學(xué)課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的“現(xiàn)代化”，符合當(dāng)前課程改革的要求，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展，也為一線教師提供教學(xué)方向。