數字化實驗助力化學概念、原理的深刻理解
——傳感器在電離平衡和水解平衡中的應用

北京 王 哲 裴秀煥

一、問題提出

“學好化學應掌握足夠的理論和充分的事實”，戴安邦先生指出“化學實驗課是實施全面化學教育的一種最有效的教學形式”，可見實驗事實在學習化學過程中的重要作用。高中化學課程選擇性必修1《化學反應原理》中，闡述了化學平衡及平衡移動等重要的化學理論，而弱電解質的電離平衡、鹽類水解平衡、沉淀溶解平衡是化學平衡的延伸和拓展，也是化學平衡理論的重要應用。對這些平衡過程的分析，體現了化學平衡理論的指導作用。由于這些平衡的建立和移動等內容具有一定的抽象性，許多學生在學習過程中難以透徹理解，常常存在死記硬背、生搬硬套等現象。

近年來發展迅速的傳感器具有靈敏度高、使用簡單、可以檢測濃度極低的物質(質量分數為10-6)等優點，在近幾年的教學中，借助傳感器進行的數字化實驗越來越普遍，pH傳感器、壓力傳感器等尤其受老師們青睞。傳統的用試管、燒杯難以完成的定量實驗，借助傳感器采集的數據，能為實驗結論提供直觀的強有力證據。在弱電解質的電離平衡、鹽類水解平衡移動的教學中，借助傳感器能將微觀反應可視化、抽象理論具體化，數字化實驗技術對化學概念、原理的深刻理解提供了強大助力。

二、教學實踐

1.電離平衡的構建及平衡移動

人民教育出版社2020年版選擇性必修1《化學反應原理》中，強、弱電解質及弱電解質的電離平衡內容與以往教材不同，新教材引入了數字化實驗，證據更充分，更有利于學生理解和構建弱電解質及電離平衡概念，具體內容呈現見表1。

表1 弱電解質電離平衡在新教材中的呈現

【實驗3-1】中的現象和溶液pH、電導率等數據表明，相同物質的量濃度的鹽酸和醋酸中H+濃度不同，即HCl和CH3COOH的電離程度不同，學生據此理解醋酸等弱電解質的概念。借助【思考與討論】中壓強傳感器采集的反應過程中的氣體壓強變化圖像，能直觀地表示出等體積、等濃度的兩種酸與等量鎂條反應產生氣體的差別，一定時間內鹽酸產生氣體的速率比醋酸快，表明開始階段鹽酸大于醋酸中氫離子濃度，隨著反應的進行，鹽酸中的H+被快速消耗，醋酸中的H+被不斷電離出來，使醋酸中的H+得以補充，二者與鎂條反應的速率趨于相等；由于等體積、等濃度的兩種酸中氫離子的物質的量相等，最終二者生成的氣體體積相等。再結合【思考與討論】中的問題討論，進而促進學生對醋酸電離過程的理解及醋酸電離平衡的建立，借助氣體壓強的變化圖像，減少了學生對醋酸電離過程想象的盲目性。教師在教學中處理【思考與討論】時，還可以在原有的兩個問題前后，分別增加一個簡單問題①和問題④：①2 mL 2 mol·L-1的鹽酸和醋酸中含有溶質的物質的量、最終電離出的氫離子的物質的量是否相等？④用化學用語解釋0.1 mol·L-1的鹽酸和醋酸，為什么鹽酸的pH=1，而醋酸的pH>1？設置問題①和④的目的不是為了計算，而是要用問題①引導學生關注兩種一元酸中溶質的物質的量、最終電離出的氫離子的物質的量都相等，而產生氣體的速率不同，但是氣體總量相等；問題④既是對【實驗3-1】現象的解釋，也是對剛剛構建的電離平衡概念的應用。

圖1 鹽酸和醋酸稀釋過程中溶液pH隨時間變化示意圖

2.水解平衡影響因素

能夠水解的鹽溶液中，存在水的電離平衡和鹽中弱離子的水解平衡，外界條件(溫度、濃度和溶液酸堿性等)的改變會對溶液中的平衡產生影響，為了更直觀地展現鹽類水解平衡移動中微粒濃度的細微變化，避免影響水解的因素分析變成枯燥的理論推演和結論的死記硬背，老師們嘗試將數字化手持技術引進課堂。以下借助pH傳感器，以FeCl3、Na2CO3、NaHCO3溶液為研究對象，探究濃度、溫度對鹽類水解的影響。

2.1 濃度對水解平衡的影響——以FeCl3水解為例

人民教育出版社2020年版選擇性必修1《化學反應原理》中，以實驗形式進行“反應條件對FeCl3水解平衡的影響”的探究，探究中設計實驗并對實驗現象進行分析，主要以觀察外界條件改變前后溶液顏色的變化作為分析依據。在進行溫度和生成物濃度(即外加酸或堿)條件的探究中，可增加對照實驗排除Fe3+顏色變化的干擾，但是，對于反應物濃度的改變(例如增大FeCl3濃度)，很難通過對照實驗排除Fe3+顏色(Fe3+濃度增大，溶液顏色也會加深)的干擾。而借助pH傳感器進行實驗，能夠突破單純通過觀察顏色的局限性。具體過程見表2。

表2 利用pH傳感器探究濃度的改變對FeCl3水解平衡的影響

2.2 溫度對鹽溶液pH的影響——以Na2CO3和NaHCO3溶液為例

2.2.1 溫度改變對Na2CO3溶液pH影響的綜合分析

圖4 升溫過程中Na2CO3溶液pH變化曲線

圖5 降溫過程中Na2CO3溶液pH變化曲線

2.2.2 溫度改變對NaHCO3溶液pH影響的綜合分析

圖6 升溫過程中NaHCO3溶液pH變化曲線

圖7 降溫過程中NaHCO3溶液pH變化曲線

三、總結與反思

教師借助傳感器進行電離平衡相關內容的教學，將強、弱電解質的性質進行了直觀的定性表達，簡潔明了，說服力強；教師利用pH傳感器探究濃度對FeCl3水解平衡的影響，實驗步驟簡潔，并且對FeCl3溶液的濃度沒有嚴格要求，學生只需關注實驗前后FeCl3溶液濃度大小的變化，實驗圖像直觀形象，解決了單純通過觀察顏色判斷平衡移動時Fe3+顏色干擾的問題；教師利用pH傳感器測定升溫、降溫條件下Na2CO3、NaHCO3溶液的pH變化，借助曲線變化的實驗證據，幫助學生分析復雜體系中多種化學反應的協同與競爭，避免學生主觀臆斷得出結論，提升學生分析問題和解決問題的能力及證據意識。

數字傳感技術實現了微量變化的數據采集，將微觀變化轉化為可視化的宏觀現象，這是傳統實驗無法比擬的。學生對傳統的“燒杯+試管”實驗無法解決的困擾，可以借助傳感器等精密度高的儀器進行定性或定量的微觀探測，一方面避免主觀臆斷形成錯誤認知，另一方面提升“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養，體會信息技術、科技進步在化學學科發展中的重要意義。