基于数字化实验的“离子反应”探究

杨香涛 于琴 耿承胜

·

摘要：利用pH传感器，对强酸、强碱分别与cH3COONH4溶液反应前后溶液pH的变化进行探究，得到了不同实验条件下pH随时间变化的关系曲线图，同时根据曲线图分析得出了“在溶液中进行的化学反应，如果有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等），离子之间便发生了反应”这一结论，并给出了本实验的几点启示。

关键词：数字化实验;离子反应;pH传感器;实验探究

文章编号：1008-0546（2019）05-0083-04

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.026

一、问题提出

苏教版教材《化学1》专题2第二单元“离子反应”（教材第55页）一节中对离子反应有这样一段描述“电解质在水溶液中的反应本质上是离子之间的反应。当离子间能结合生成难溶物质、难电离物质及易挥发物质时，反应就能进行。”一般而言，有难溶物质（沉淀）、易挥发性物质（气体）或溶液有明显颜色变化的反应，我们可以通过相关实验现象来确定反应的发生，但是对于有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等）且无明显现象的反应，我们则很难确定该类反应能否发生。为此，我们尝试用pH传感器来测定强酸、强碱分别与等体积的去离子水、CH3COONH4溶液混合前后溶液的pH，并通过分析溶液的pH随时间变化的曲线图得出如下结论——在溶液中进行的化学反应，如果有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等），离子之间便发生了反应。

三、实验探究

1.实验用品

pH传感器、数据采集器、笔记本电脑、50mL注射器、磁力搅拌器、烧杯、50mL量筒、胶头滴管、洗瓶、100mL容量瓶、电子天平、滤纸等。

2.实验药品

0.100mol·L^-1盐酸、0.100mol·L^-1NaOH溶液、0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液、去離子水等。

3.实验步骤

（3）按图1连接好实验装置，将数据采集器与电脑连接，并进行调试（数据采集器设置为1s测定10个数据，测定时间为80s），向烧杯1中加入50mL 0.100mol·L^-1盐酸，用去离子水冲洗pH传感器，并用滤纸吸干pH传感器表面的去离子水，然后将pH传感器置于烧杯1的溶液中，启动磁力搅拌器，边搅拌边滴加50mL去离子水，用pH传感器测定混合前后溶液的pH，得到pH随时间变化的曲线图（如图2所示）。

（4）向烧杯2中加50mL 0.100mol·L^-1盐酸，同样用去离子水冲洗pH传感器，并用滤纸吸干pH传感器表面的去离子水，然后将pH传感器置于烧杯2的溶液中，启动磁力搅拌器，边搅拌边滴加50mL 0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH传感器测定反应前后溶液的pH，得到pH随时间变化的曲线图（如图3所示）。

实验二NaOH溶液与CH3COONHa溶液反应前后溶液的pH变化探究

（1）准确配制0.100mol·L^-1NaOH溶液和0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液各100mL备用。

（2）首先标定pH传感器，然后用pH传感器分别测定0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液的pH和去离子水的pH（如表1所示）。

（3）按图1连接好实验装置，将数据采集器与电脑连接，并进行调试（数据采集器设置为1s测定10个数据，测定时间为80s），向烧杯3中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去离子水冲洗pH传感器，并用滤纸吸干pH传感器表面的去离子水，然后将pH传感器置于烧杯3的溶液中，边搅拌边滴加50mL去离子水，用pH传感器测定混合前后溶液的pH，得到pH随时间变化的曲线图（如图4所示）。

（4）向烧杯4中加入50mL 0.100mol·L^-1NaOH溶液，用去离子水冲洗pH传感器，并用滤纸吸干pH传感器表面的去离子水，然后将pH传感器置于烧杯4的溶液中，启动磁力搅拌器，边搅拌边滴加50mL0.100mol·L^-1CH3COONH4溶液，用pH传感器测定反应前后溶液的pH，得到pH随时间变化的曲线图（如图5所示）。

综上所述，根据强酸、强碱分别与CH3COONH4溶液反应前后溶液的pH随时间变化的曲线图可知，在溶液中进行的化学反应，如果有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等），离子之间便发生了反应。

五、实验启示

本实验借助数字化传感技术的直观演示使学生感受到传统实验不能观察到的实验现象，有利于学生理解离子反应发生的条件，达到了快速突破教学难点、优化教学过程及提高教学效率的目的。同时通过本实验的探究可以看出，数字化实验对中学化学实验教学具有诸多启示作用。

1.数字化实验增强了实验的直观性和趣味性

数字化实验与传统的实验相比，因其操作相对简单，实验结果通常以动态的曲线图呈现于电脑的屏幕上，有较强的可视性，同时可以引发学生的学习兴趣。所以说，数字化实验更具有直观性和趣味性，能够触动学生的探究欲望，数字化传感技术实验的引入可以通过计算机直观地观察到实验数据变化过程，让学生更加容易理解化学反应的本质和过程。

2.数字化实验有助于学生化学信息素养的培养

“2019年江苏省普通高中学业水平测试（选修科目）说明化学科”明确要求：能够通过对自然界、生产、生活和科学实验中化学现象，以及相关模型、数据和图形等的观察，获取有关的感性知识，并运用分析、比较、概括、归纳、推理等方法对所获取的信息进行初步加工和应用。从上述江苏高考考查要求可以看出，培养学生的化学信息素养，尤其是培养学生在科学实验中获取信息的能力是高考考查的重要方面。本实验就是在数字化传感技术的帮助下，让学生结合实验所得曲线图中的数据这一信息，主动运用分析、比较、概括、归纳等方法进行加工和理解，并运用所获取的信息分析解决相关化学问题，很好地培养了学生的化学信息素养，切合了江苏高考的要求，为学生化学信息素养的培养提供了一条全新的途径。

3.数字化实验有助于学生化学核心素养的培养

教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了高中学生应该具备的化学核心素养有“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“实验探究与创新意识”“科学精神与社会责任”等五个方面，数字化实验有助于培养学生证据推理与模型认知、实验探究与创新意识等方面的能力与素养。

如对“证据推理与模型认知”的培养，我们可以通过上述数字化实验得到关于“离子反应”中相关溶液的pH随时间变化的曲线图，为学生证实溶液中确实有离子发生反应提供了证据，不仅培养了学生的证据意识，而且还让学生能在上述证据的基础上提出可能的假设——“在溶液中进行的化学反应，如果有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等），离子之间便发生了反应。”，最后学生通过对上述证据的分析推理，证实给出假设的正确性，同时帮助学生通过分析、推理的方法认识离子反应的本质特征、构成要素及其相互关系，从而揭示离子反应的本质和规律。

再如对“实验探究与创新意识”的培养，我们可以通过上述数字化实验帮助学生建立科学探究的一般思路和方法：首先，认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动;接着引导学生发现和提出有探究价值的问题：在溶液中进行的化学反应，如果有难电离物质生成（如水、能溶于水的弱酸或弱碱等），如何确定离子之间发生了反应;然后，要求学生能从问题和假设出发，确定探究目的，设计探究方案，进行实验探究;最后引导学生不断地反思自己的探究过程，积极发现探究过程中的不足，并不断修正自己的错误，最终形成科学的探究方案。

当然，数字化实验较传统的实验更能培养学生的观察能力、思维能力、信息的提取及加工的能力、证据推理与模型认知能力、实验探究与创新能力等等，为我们中学化学实验教学提供了一种新颖的教学方法与手段。