數(shù)字化實驗探究石灰水的電導(dǎo)率變化情況

文| 季曉春

《義務(wù)教育化學課程標準（2022 年版）》指出：以實驗為基礎(chǔ)是化學學科的重要特征之一，化學實驗對全面發(fā)展學生的核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。創(chuàng)新實驗教學，采用新穎的實驗方法和實驗裝置，能夠讓學生接觸到最新的實驗技術(shù)和實驗方法。而且創(chuàng)新實驗教學注重學生的探究過程，能讓學生通過探究發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并能用科學語言和信息技術(shù)手段合理表達探究的過程和結(jié)果。在化學教學中，教師可以通過創(chuàng)新實驗更好地激發(fā)學生學習化學的興趣，創(chuàng)設(shè)生動活潑的學習情境，幫助學生理解和掌握化學知識與技能，引導(dǎo)學生學習科學方法，發(fā)展學生的科學思維和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

一、創(chuàng)新實驗來源

人教版九年級化學教材下冊第10 單元實驗“試驗物質(zhì)的導(dǎo)電性”中通過電源、小燈泡、導(dǎo)線、金屬或石墨電極等搭建物理電路，觀察小燈泡是否發(fā)光來判斷與其串聯(lián)在一個電路中的所給實驗物質(zhì)（如氫氧化鈣溶液）是否能導(dǎo)電（如圖1）。

圖1 試驗物質(zhì)的導(dǎo)電性

氫氧化鈣溶液又稱為澄清石灰水，實驗室常用來檢驗二氧化碳氣體（如圖2），因為二氧化碳氣體能使其變渾濁，現(xiàn)象明顯。但實驗過程中，有時會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，渾濁的石灰水又變澄清。

圖2 石灰石與鹽酸反應(yīng)

以上實驗方法探究有關(guān)氫氧化鈣溶液的性質(zhì)，現(xiàn)象明顯，可操作性強，但主要是從定性的角度分析。如第一個實驗在引導(dǎo)學生從微觀角度分析溶液的導(dǎo)電性時較為抽象；第二個實驗過程中有時會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，為什么渾濁的石灰水又變澄清了？在引導(dǎo)學生解釋反應(yīng)的特殊現(xiàn)象、認識反應(yīng)的微觀實質(zhì)時比較困難。

二、實驗?zāi)康?/h2>

使用傳感器探究石灰水的電導(dǎo)率變化情況，從而幫助學生理解溶液的導(dǎo)電原理以及認識石灰水與二氧化碳的反應(yīng)實質(zhì)。

三、實驗原理

電導(dǎo)率傳感器用于測量溶液的導(dǎo)電性強弱。一定條件下，電導(dǎo)率的大小能反映溶液中離子濃度的大小。

四、實驗儀器和裝置圖（如圖3、圖4）

圖3

圖4

數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、計算機及相應(yīng)配套軟件、磁力攪拌器、燒杯、錐形瓶、分液漏斗、導(dǎo)管、氫氧化鈣、純凈水、稀鹽酸、石灰石等。

五、實驗步驟

1.取室溫26℃下100 mL 純凈水加入燒杯中，放入磁力攪拌器磁珠。

2.校準傳感器，組裝儀器，設(shè)定攪拌擋位。

3.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，迅速將一藥匙氫氧化鈣粉末加入燒杯中，充分溶解后，再加半藥匙氫氧化鈣粉末，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4.取室溫下接近飽和的澄清石灰水各30 mL 于兩只燒杯中，往其中一只燒杯加等體積的水，使其濃度稀釋一半。

5.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下20 mL 已被稀釋的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳氣體，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

6.用電導(dǎo)率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下30 mL 接近飽和的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳氣體，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

六、數(shù)據(jù)分析

1.氫氧化鈣溶液具有導(dǎo)電性。

由電導(dǎo)率傳感器顯示的波形圖（如圖5）可以看出，純凈水幾乎不導(dǎo)電，其電導(dǎo)率為0.405；加入氫氧化鈣后，固體逐漸溶解，溶液中的離子濃度不斷增大，溶液的電導(dǎo)率不斷增大；氫氧化鈣溶解達到飽和狀態(tài)后，溶液中的離子濃度不變，溶液的電導(dǎo)率不變，達到最大值10.376。

圖5

2.實驗室用澄清石灰水檢驗二氧化碳時，為何有時會觀察到意外現(xiàn)象？

其實，這個實驗過程中的意外現(xiàn)象通過電導(dǎo)率傳感器顯示的波形（如圖6），很容易分析得出結(jié)論。

圖6

接近飽和的澄清石灰水被稀釋后，測得其初始電導(dǎo)率為5.724。當通入二氧化碳氣體時，發(fā)生反應(yīng)：Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，隨著反應(yīng)的進行，生成難溶性的碳酸鈣沉淀，溶液中的離子數(shù)目減少，離子濃度減少，溶液的電導(dǎo)率降低，當氫氧化鈣完全反應(yīng)時，溶液電導(dǎo)率降至最低點1.046（如圖7）。繼續(xù)通入過量的二氧化碳氣體，觀察到變渾濁的石灰水又變澄清，同時溶液的電導(dǎo)率開始上升，直至2.388（如圖8）。這一現(xiàn)象對應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)是：CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2在室溫下易溶于水，可解離出自由移動的離子，從而使得溶液中的離子數(shù)目增多，離子濃度增大，溶液的電導(dǎo)率又上升。

圖7 澄清石灰水變渾濁

圖8 渾濁的液體又變澄清

3.濃度較大的澄清石灰水檢驗二氧化碳時，即使二氧化碳過量，為何石灰水仍渾濁？

其實，實驗過程中并不只發(fā)生了前一個反應(yīng)，仍然是兩個反應(yīng)都有發(fā)生，這一點通過電導(dǎo)率傳感器顯示的波形（如圖9），也能分析得出結(jié)論。

圖9

該波形曲線的變化趨勢和上一個實驗相似。一開始室溫下接近飽和的澄清石灰水的電導(dǎo)率為10.061，隨著二氧化碳氣體的持續(xù)通入直至過量，同樣發(fā)生了兩個化學反應(yīng)：先是Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，然后CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，溶液的電導(dǎo)率快速下降到1.106，然后又上升至3.114，并趨于平穩(wěn)。而我們在觀察實驗現(xiàn)象時，整個過程中石灰水一直都是渾濁的，如圖10、11 所示，所以從定性的角度很難去解釋這一現(xiàn)象，但是通過數(shù)字化實驗量化分析可以直觀、明顯地得出結(jié)論：反應(yīng)后所得溶液中離子的濃度低于原溶液，可能是因為第一步反應(yīng)生成的CaCO3未能完全轉(zhuǎn)化為可溶性的Ca（HCO3）2，使得溶液中離子濃度減小，石灰水仍然渾濁，溶液電導(dǎo)率有上升但不能恢復(fù)初始數(shù)據(jù)。

圖10 澄清石灰水變渾濁

圖11 繼續(xù)通入二氧化碳氣體，液體仍然渾濁

七、實驗優(yōu)點

1.數(shù)字化實驗?zāi)茌^為準確、具體地幫助學生理解各種物質(zhì)，尤其是溶液導(dǎo)電的微觀原理，解決了長期以來初中階段只定性地研究物質(zhì)導(dǎo)電性實驗的問題。與傳統(tǒng)實驗測定項目相比，操作步驟減少，實驗方便，節(jié)約時間，學生更能從本質(zhì)上理解初中重要化合物酸堿鹽的定義。

2.通過測定不同濃度澄清石灰水中通入二氧化碳氣體后溶液電導(dǎo)率的變化情況，我們了解了某些直觀現(xiàn)象背后所看不到的化學反應(yīng)實質(zhì)；同時也為學生在化學實驗探究過程中遇到的意外現(xiàn)象做出了很好的定量分析和解釋，能夠激發(fā)學生的求知欲和學習興趣。

3.如果在分組完成課本實驗的基礎(chǔ)上演示本實驗，既能培養(yǎng)學生的動手操作能力、觀察能力，又能培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析能力。

數(shù)字化實驗是化學實驗融入信息社會和互聯(lián)網(wǎng)時代的鑰匙。它豐富了我們對化學問題的研究方式，也提升了我們的實驗?zāi)芰退季S能力，讓我們有一個更順暢地引入化學實驗信息化、現(xiàn)代化的渠道。每位化學教師都可以不斷發(fā)揮自己的教學智慧，敢于質(zhì)疑，大膽創(chuàng)新，不斷去整合、完善和更新自己的教學理念。