利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)石灰石與鹽酸反應(yīng)的再探究

魏明貴 徐泓

摘要：針對(duì)“石灰石與稀鹽酸反應(yīng)到?jīng)]有氣泡產(chǎn)生，此時(shí)稀鹽酸沒有反應(yīng)完全，只是濃度過低，不足以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行”這一觀點(diǎn)，提出問題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用pH傳感器多次測定反應(yīng)后溶液的pH并得出結(jié)論，最后提出自己的幾點(diǎn)思考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化;pH傳感器;結(jié)論;思考

文章編號(hào)：1008-0546（2019）09-0085-02

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.027

真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展[1]。

本文結(jié)合“石灰石與鹽酸反應(yīng)的再探究”教學(xué)中教師的設(shè)計(jì)過程為例，分析在問題情境下合作探究對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的作用，欲起拋磚引玉的作用。

一、設(shè)計(jì)思路

在初中化學(xué)教學(xué)中，教師常常用過量的石灰石處理廢液中的鹽酸，并認(rèn)為看不到有氣泡產(chǎn)生，說明廢液中的鹽酸已經(jīng)被消耗掉。筆者在教學(xué)中遇到一道有關(guān)這方面的試題：

某同學(xué)實(shí)驗(yàn)后，為了防止廢液中過量的鹽酸污染環(huán)境，他按照傳統(tǒng)方式向廢液中加入過量的石灰石，并同時(shí)用pH傳感器測整個(gè)過程的pH變化，即從開始反應(yīng)到最終不再產(chǎn)生氣體直至過量石灰石沉淀分層，靜置一段時(shí)間后得到的圖像如圖l。命題老師編制這道試題的目的是說明“用過量的石灰石除去廢液中稀鹽酸是不合理的”或者“根本不能將鹽酸除去，但反應(yīng)到一定時(shí)候反應(yīng)就不再發(fā)生”。

筆者查閱文獻(xiàn)，在《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》2017年第7期（上月刊）的《數(shù)字傳感儀在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用》中，作者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測該反應(yīng)后pH，多次測定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肉眼完全看不到氣泡，大理石有剩余時(shí)，溶液的pH基本停留在1.7 -1.9。文章還寫到“數(shù)據(jù)說明，我們看到?jīng)]有氣泡其實(shí)并不是稀鹽酸反應(yīng)完全了，只是它的濃度過低，不足以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行[1]。”

根據(jù)試題和文獻(xiàn)的描述，都只是在氣泡“停止”后用傳感器測出剩余溶液的pH，并沒有持續(xù)研究下去，是不是真的反應(yīng)就無法進(jìn)行下去呢？帶著這種疑惑，筆者對(duì)該反應(yīng)過程進(jìn)行了再探究。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品：智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤、pH傳感器、筆記本電腦、燒杯;石灰石、10%稀鹽酸。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2、圖3：

實(shí)驗(yàn)過程：將足量的石灰石和一定量10%的稀鹽酸放在燒杯中，從反應(yīng)有大量氣泡產(chǎn)生到肉眼無法看到氣泡，每過一段時(shí)間多次用pH傳感器測定燒杯中溶液的pH。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

石灰石與稀鹽酸剛剛開始反應(yīng)，有大量氣泡產(chǎn)生，溶液pH變化曲線如圖4所示。

從曲線變化明顯看出，由于石灰石不斷地消耗溶液中的HCl，使得溶液的pH不斷地增加并且變化很快（反應(yīng)劇烈造成對(duì)傳感器探頭的碰撞，使得曲線中抖動(dòng)情況）。大約過去二十分鐘后，仍然有少量氣泡產(chǎn)生，溶液pH變化曲線如圖5所示。

從曲線變化可以看出，反應(yīng)明顯變慢，但溶液的pH在增大，由圖4的1.23增加到1.44，說明溶液中HCl仍然被消耗。

接下來，分別測試了l小時(shí)（已經(jīng)看不到氣泡）、5小時(shí)和1天以后燒杯中溶液的pH，分別見圖6、圖7和圖8。

反應(yīng)到肉眼無法看到氣泡時(shí)，燒杯中非常的“安靜”、溶液非常的“清澈”（圖9），在看似“風(fēng)平浪靜”的情況下，經(jīng)多次不同時(shí)間段的測試，溶液的pH仍然在不斷地增加，由無氣泡測出的2.13增加到5.84。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論和反思

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）從定性角度分析，石灰石與稀鹽酸反應(yīng)一開始有大量氣泡、反應(yīng)放熱且石灰石部分溶解;隨著反應(yīng)進(jìn)行，由于鹽酸的濃度越來越小，氣泡越來越少，最后到肉眼看不到氣泡產(chǎn)生。

（2）從定量角度分析，反應(yīng)一開始溶液的pH增加較快，隨著時(shí)間推移，反應(yīng)越來越慢直到無氣泡產(chǎn)生，但通過不同時(shí)間段的測試，發(fā)現(xiàn)溶液的pH仍然在不斷地增加，只是增加的速度由快到慢，說明肉眼無法看到氣泡，只能說明反應(yīng)非常緩慢，難以覺察，但不能說“反應(yīng)不持續(xù)進(jìn)行”。

2.幾點(diǎn)反思

（1）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)方便、快捷、可視化并且具有持續(xù)性，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究更為高效。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)得到的曲線、數(shù)字，讓學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，能依據(jù)證據(jù)對(duì)物質(zhì)的變化，通過分析推理得出反應(yīng)的真?zhèn)危沂緦?shí)驗(yàn)的本質(zhì)和規(guī)律。在探究過程中，由于研究不同反應(yīng)持續(xù)時(shí)間長短不同，影響因素不同等，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有所影響。科學(xué)探究具有持續(xù)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，有時(shí)不能根據(jù)某一個(gè)特定的曲線和數(shù)據(jù)“匆忙”地做出判斷。本實(shí)驗(yàn)涉及到的反應(yīng)過程就需要用傳感器測出不同時(shí)間段燒杯中溶液pH變化情況，這樣的研究也有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度這一核心素養(yǎng)。

（2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到的曲線真實(shí)、有效，但不同實(shí)驗(yàn)者研究的角度不同、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)用品不同、實(shí)驗(yàn)藥品不同、實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同等都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。作為化學(xué)教師，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論的獲得，需要自己“親力親為”，自己走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合文獻(xiàn)進(jìn)行再探究，決不能盲目地、簡單地“拿來”。

參考文獻(xiàn)

[l]張靈麗.數(shù)字傳感儀在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（7）：31-33