利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩定性

周朝暉 后勇軍

摘要：實驗是獲取化學感性認識的源泉，是理性認識的支架。在教學中設計數字化創新實驗，利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩定性，通過宏微結合和曲線表征，幫助學生直觀地理解和構建知識，落實化學核心素養。

關鍵詞：傳感器? 氯水? 穩定性? 曲線表征? 核心素養

一、問題的提出

化學是以實驗為基礎的科學，實驗是獲取化學感性認識的源泉，是理性認識的支架。氯氣與水反應是人教版高中化學必修1第四章第二節的主要內容。為了幫助學生認識氯水的漂白性，教材中設計了實驗4-4和4-5兩個對比實驗（如圖1），該實驗可以宏觀表征：A廣口瓶中有色布條不褪色，B廣口瓶中有色布條褪色。學生容易獲取新知：干燥的氯氣沒有漂白性而新制的氯水有漂白性，進而較易理解新制的氯水的漂白性是氯氣與水反應生成的新物質——次氯酸（HClO）具有漂白作用。

次氯酸雖然是一元弱酸，但具有強氧化性和不穩定性。文獻資料顯示：在25 ℃時，1 L水約溶解2 L氯氣達到飽和，可以粗略計算氯水的物質的量濃度約為0.0921 mol/L。當氯氣溶于水時，少部分氯氣會跟水發生反應，并很快達到化學平衡：Cl2+H2OHCl+HClO。根據此反應的平衡常數K=4.2×10-4，可以計算出各物質的平衡濃度：

c（Cl2）=0.062 mol/L，c（HClO）=0.030 mol/L，c（HCl）=0.030 mol/L。

可知氯水中各成分濃度較小，又因為濃度越大的氯水，氯氣的擴散越慢，氯氣的溶解能力越差。因此，通常所用的氯水實際上是不容易達到飽和，各成分的實際濃度比理論值要低，新制氯水中次氯酸（HClO）的濃度偏小，在光照條件下分解導致氯氣與水反應的化學平衡移動較慢，短時間內肉眼很難觀察到因溶液中氯氣濃度變小而引起的溶液顏色的變化。次氯酸分解引起的溶液pH變化的數值也很小，用常規的檢測方法不能檢測。因此，教材中對次氯酸的不穩定性沒有設置驗證實驗，而是直接給出了次氯酸分解的化學反應方程式。學生在觀察新制的氯水時，短時間內無法觀察到明顯的變化，造成學生分析和理解新制氯水與久置氯水成分的差異時產生認知困難。在實際教學中，筆者設計了數字化創新實驗，利用pH和氧氣傳感器探究氯水的穩定性，通過宏微結合和曲線表征，幫助學生直觀的理解和構建知識。

二、實驗設計思路

氯水中次氯酸在光照或加熱條件下會發生分解反應生成鹽酸和氧氣，引起溶液的pH值和容器內氧氣的濃度發生微弱變化。為了讓pH數據和氧氣濃度可視化，在實驗中引入數字化實驗，借助pH和氧氣傳感器，同時導出新制的氯水在光照或加熱條件下容器內氧氣濃度和溶液的pH值隨時間變化的圖像。通過曲線表征中的數據的變化，推斷溶液中發生的反應，進而預測久置的氯水成分與新制的氯水成分的不同。

三、實驗用品和裝置

1.實驗用品：氧氣傳感器、pH傳感器、數據采集器、三頸瓶、飽和氯水、手電筒、熱毛巾等。

2.實驗裝置：如圖2。

四、實驗步驟和現象分析

（一）在光照條件下

（1）實驗步驟：按圖2裝置組裝儀器，向三頸瓶中加入150 mL飽和氯水，連接好數據采集器、氧氣傳感器和pH傳感器，打開應用軟件，用兩個手電筒照射三頸瓶中的飽和氯水，點擊氧氣傳感器和pH傳感器進行數據采集，觀察溶液的pH變化和三頸瓶中氧氣變化。實驗中曲線變化如圖3所示。

（2）現象分析：

由圖像可知：隨著時間的推移，氯水顏色變淺，溶液的pH值減小，由2.33逐漸變為2.32，氧氣含量增大，由14.92%逐漸變為14.97%，可以證明氯水中發生反應：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在光照條件下發生分解反應，其符號表征為：2HClO光照2HCl+O2↑，獲得認知模型：氯水在光照條件下不穩定。圖像中實驗起始時pH變化較快，后來較慢，這與次氯酸的濃度變化有關。隨著次氯酸的分解，次氯酸的濃度不斷降低，分解速率就不斷減慢。

（二）在加熱條件下

（1）實驗步驟：按圖2裝置組裝儀器，向三頸瓶中加入150 mL飽和氯水，連接好數據采集器、氧氣傳感器和pH傳感器，打開應用軟件，用熱毛巾（40～50 ℃）敷在三頸瓶外壁，點擊氧氣傳感器和pH傳感器進行數據采集，觀察溶液的pH變化和三頸瓶中氧氣變化。實驗中曲線變化如圖4所示。

（2）現象分析：

由圖像可知：用熱毛巾加熱三頸瓶時，隨著時間的推移，氯水顏色變淺，三頸瓶中氧氣含量逐漸增大，同時溶液的pH值逐漸減小，證明氯水中發生反應：Cl2+H2OHCl+HClO，生成的HClO在加熱條件發生分解反應，其符號表征為：2HClO△2HCl+O2↑，獲得認知模型：氯水在加熱條件下不穩定。

五、實驗效果和啟示

（一）利用數字化實驗將緩慢反應過程可視化，有效突破教學難點。由于氯水中次氯酸濃度很小，次氯酸分解導致氯水的成分發生微弱變化，其宏觀現象不明顯。利用pH傳感器和氧氣傳感器進行數字化實驗，把現象不明顯的化學反應過程以曲線的形式顯示出來，不僅有利于學生直觀地對實驗現象的觀察，還有利于學生對實驗結果的分析處理。學生通過觀察溶液的pH值不斷變小、同時容器內氧氣的濃度不斷增大，很快推測出次氯酸在光照或加熱等條件分解生成了強酸（鹽酸）和氧氣，理解了次氯酸的不穩定性。進而預測：隨著時間推移，氯水中次氯酸不斷分解，導致溶液中的氯氣不斷與水反應，最終溶液變為稀鹽酸，通過多重表征分析和推理自主建構了認知模型，學生總結和歸納出新制的氯水和久置的氯水成分的差異性圖（如圖5）。

（二）通過對實驗結果分析處理，引導學生分析解決實際問題。學生理解掌握了次氯酸不穩定的性質后，教師啟發學生思考如下問題：在實驗室中如何使用和存放氯水？如何讓氯水的漂白性更持久？學生通過交流，借助宏微結合，運用所學知識進行推理、遷移，最終理解掌握新的知識點：（1）實驗室使用的氯水要新制，且在棕色瓶中避光保存。（2）氯水雖然有很好的漂白性，由于次氯酸的不穩定性，難以保存，使用起來很不方便，效果也不理想[1]。為了增強穩定性，科研工作者經過多年的實驗和改進：將氯氣通入氫氧化鈉溶液中獲得常用的漂白液，其有效成分是次氯酸鈉（NaClO）;也可以將氯氣通入冷的Ca（OH）2中制得較穩定的漂白粉，它的有效成分是次氯酸鈣[Ca（ClO）2]。漂白液和漂白粉可用作環境的消毒劑，也可作漂白棉、麻、紙張的漂白劑，讓學生感知化學的價值，學以致用。

（三）在實際實驗教學中，適時引入數字化實驗傳感器，借助曲線表征，將定性實驗轉化為定量實驗，對傳統實驗進行改進和創新，可以使一些傳統實驗無法觀察的現象可視化，微小的變化放大化。利用圖像中的曲線變化，開展小組討論，引導學生對數據進行分析，不僅可以幫助學生解決生活中的化學問題，而且能激發學生對實驗探究活動的好奇心和興趣，拓展學生的視野，引導學生的學習方式的轉變，培養學生的科學探究能力與創新意識，真正落實在課堂教學中發展學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書.化學必修1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：8485.