技術(shù)支持下多方位探究離子濃度的教學(xué)設(shè)計(jì)

顧仲良

摘要：為彌補(bǔ)弱電解質(zhì)的電離平衡教學(xué)中“重定性、缺定量”影響學(xué)生理解電離平衡理論的不足，教師設(shè)計(jì)并開展基于數(shù)字化傳感技術(shù)多方位探究電離平衡的實(shí)驗(yàn)，可引導(dǎo)學(xué)生測定離子濃度，分析電離程度，推導(dǎo)電離平衡的稀釋定律、同離子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“宏觀—微觀—符號”三重表征。實(shí)踐證明，借助信息技術(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生基于數(shù)理分析數(shù)據(jù)、探究微觀變化，建構(gòu)化學(xué)平衡理論模型，加深對理論的理解。

關(guān)鍵詞：傳感器;電離平衡;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要方法和途徑，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》^[1]要求教師適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)探究過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值?，F(xiàn)行教材常以CH₃COOH或NH₃·H₂O為例來解釋電離平衡，對于電離平衡內(nèi)容，人教版選擇性必修教材在必修一的強(qiáng)電解質(zhì)“電離”與“離子反應(yīng)”基礎(chǔ)上做了深化、完善，同時對同章節(jié)“強(qiáng)弱電解質(zhì)”概念加以拓展，為后續(xù)“鹽類的水解”教學(xué)作鋪墊。對于電離平衡內(nèi)容而言，教師不僅需要讓學(xué)生“知其然”，而且要讓學(xué)生“知其所以然”，從微觀粒子種類與濃度的變化來認(rèn)識電離平衡的存在與移動。

一、教學(xué)不足與改進(jìn)思路

學(xué)生要構(gòu)建電離平衡，就需要深刻理解微粒觀與平衡觀這一核心概念。教材對于電離平衡及影響因素僅有理論分析。筆者認(rèn)為在教學(xué)中輔以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生利用直觀的數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行探究，更有利于其構(gòu)建電離平衡的原理模型。以往，對于這類理論與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)，一些教師在設(shè)計(jì)時雖然考慮了數(shù)字化傳感器的應(yīng)用，但是往往僅從定性角度去分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，缺乏對離子濃度、電離度、電離平衡常數(shù)的定量計(jì)算，也沒有設(shè)計(jì)稀釋效應(yīng)、同離子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)來完善電離平衡理論教學(xué)。微觀離子的實(shí)際濃度及以此為基礎(chǔ)而獲得的電離度和電離平衡常數(shù)是證明電離平衡及平衡發(fā)生移動的直接有力的表達(dá)與判斷。教師要想在教學(xué)中充分論證電離平衡理論，就需要改變思路用新穎的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，獲得離子濃度數(shù)據(jù)，縝密分析數(shù)據(jù)，推理變化過程，使學(xué)生對理論更加信服。

弱電解質(zhì)的電離平衡是學(xué)生在高中階段學(xué)習(xí)的重要化學(xué)平衡之一。筆者做教學(xué)設(shè)計(jì)時創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，以CH₃COOH溶液為情境，使用pH傳感器測量標(biāo)準(zhǔn)溶液的H⁺濃度，證明電離平衡的存在，并計(jì)算電離度和電離平衡常數(shù);借助電導(dǎo)率傳感器測量稀釋過程中的電導(dǎo)率變化，證明弱電解質(zhì)的稀釋定律;通過色度計(jì)傳感器測量添加不同量CH₃COONa晶體的乙酸-甲基橙體系的透光率，證明電離的同離子效應(yīng)。以三個教學(xué)步階引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化傳感器實(shí)驗(yàn)，探究溶液中微粒種類和濃度發(fā)生的變化，以及電離平衡的存在和移動，并以數(shù)據(jù)曲線表征變化結(jié)果，有效建構(gòu)和驗(yàn)證化學(xué)平衡理論，具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

二、應(yīng)用pH傳感器證明電離平衡的存在

（一）實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂龑?dǎo)學(xué)生測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的pH，測得H⁺濃度，證明弱電解質(zhì)電離不完全，感知電離平衡的存在，了解電離度與電離平衡常數(shù)的計(jì)算方法，并學(xué)會用電離度或電離平衡常數(shù)表示電離程度。

實(shí)驗(yàn)裝置：便攜式pH傳感器。

實(shí)驗(yàn)步驟：連接好實(shí)驗(yàn)裝置，在燒杯中加入30 mL 0.1000 mol·L^-1的CH₃COOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，打開并調(diào)試便攜式pH傳感器，測量溶液pH。學(xué)生按此方法進(jìn)行三次測量并將數(shù)據(jù)記錄在表1中。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)測得0.1000 mol·L^-1的CH₃COOH標(biāo)準(zhǔn)溶液pH為2.87（說明c_（H+）= ?1.35 × 10^-3mol·L^-1）。CH₃COOH溶液中的H⁺主要來自CH₃COOH的電離，溶液中H⁺濃度（1.35×10^-3mol·L^-1）遠(yuǎn)小于CH₃COOH分子濃度（0.100 mol·L^-1），表明CH₃COOH在溶液中發(fā)生不完全電離（阿累尼烏斯電離理論），存在電離平衡。學(xué)生根據(jù)電離度（α）概念，計(jì)算氫離子濃度與乙酸濃度之比即得電離度，還可根據(jù)電離度與平衡常數(shù)的關(guān)系，獲得乙酸的電離平衡常數(shù)。

三、借助電導(dǎo)率傳感器探究電離平衡稀釋定律

（一）實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂龑?dǎo)學(xué)生測定CH₃COOH標(biāo)準(zhǔn)溶液在稀釋過程中的電導(dǎo)率變化（量），探究CH₃COOH濃度與電導(dǎo)率值的數(shù)據(jù)關(guān)系，了解可用數(shù)據(jù)表征電離度，從電離度變化的角度研判稀釋過程中電離平衡移動的方向。

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）向燒杯中加入20.00 mL 0.1000 mol·L^-1 CH₃COOH標(biāo)準(zhǔn)溶液;（2）置入電導(dǎo)率傳感器，連接數(shù)據(jù)采集裝置，測量電導(dǎo)率數(shù)值并記錄;（3）用滴定管向燒杯中添加蒸餾水，每次20.00 mL，啟動磁力攪拌器使之充分稀釋，再次測量電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并記錄，將添加蒸餾水的操作做五次。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

同溶質(zhì)電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性強(qiáng)弱與離子濃度有關(guān)。在濃度較低的電解質(zhì)溶液中，離子間相互作用很微弱，離子移動受干擾小而運(yùn)動速率快。所以，電解質(zhì)稀溶液的離子濃度越大導(dǎo)電性越好，且電導(dǎo)率與離子濃度存在線性正比關(guān)系（比例系數(shù)k）：σ=kc_（離子）。CH₃COOH稀溶液在稀釋過程中，電導(dǎo)率有明顯變化（如圖3）。由圖3可知，CH₃COOH溶液稀釋后電導(dǎo)率減小，但電導(dǎo)率減小程度（相比于線性正比線）明顯較緩，即離子濃度減小較慢。這表明在稀釋過程中離子濃度的下降受到了某種因素的抑制，該因素適當(dāng)?shù)卦鎏砹穗x子的物質(zhì)的量，使稀釋過程中離子濃度非線性下降。學(xué)生分析能產(chǎn)生離子的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)只有溶質(zhì)CH₃COOH，得出結(jié)論，即乙酸在稀釋過程中又在不斷地電離產(chǎn)生離子，“越稀越電離”。

強(qiáng)電解質(zhì)往往被視為完全電離，其稀溶液電導(dǎo)率與溶質(zhì)濃度有線性關(guān)系，即電導(dǎo)率與濃度的比值???（摩爾電導(dǎo)率，也稱單位濃度電導(dǎo)率）幾乎保持不變^[2]。但CH₃COOH稀溶液在稀釋過程中“單位濃度電導(dǎo)率”不斷增大（如圖4），為什么？

電導(dǎo)率表征的是溶液導(dǎo)電性，在CH₃COOH稀溶液中它與離子濃度成正比：

σ=k（c_（H+）+c_（AC-））=2kc_（H+）

將公式（1）和電離度計(jì)算式代入“單位濃度電導(dǎo)率”計(jì)算式，可得：

由于k是一個常數(shù)，所以CH₃COOH的“單位濃度電導(dǎo)率”的變化可代表CH₃COOH電離度變化。學(xué)生分析曲線圖可知，乙酸在稀釋過程中，其電離程度在不斷增大。

在理論上，乙酸在稀釋過程中電離度可達(dá)100%，但實(shí)際上當(dāng)乙酸稀釋到pH為7，再稀釋也就沒有意義了。學(xué)生可以根據(jù)乙酸的電離平衡常數(shù)與電離度的關(guān)系，算得乙酸在pH為7時的最大電離度為99.44%。

四、基于色度計(jì)傳感器探究電離平衡的同離子效應(yīng)

（一）實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂龑?dǎo)學(xué)生對比觀察添加不同量CH₃COONH₄晶體的乙酸-甲基橙溶液前后顏色變化，并利用色度計(jì)傳感器測定它們的透光率;根據(jù)吸光度計(jì)算溶液中H⁺濃度的變化量，證明弱電解質(zhì)電離平衡的同離子效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)裝置：色度計(jì)傳感器。

實(shí)驗(yàn)步驟 ：（1）配制甲基橙指示劑，量取1.000 mL 0.1 g·L^-1甲基橙標(biāo)準(zhǔn)液放入10 mL規(guī)格的容量瓶中，加蒸餾水稀釋使其液面到刻度線處;（2）取7支10 mL規(guī)格的容量瓶（標(biāo)號1、2、3、4、5、6、7），用移液槍分別滴入0.350 mL甲基橙指示劑;（3）向1～5號容量瓶中分別注入0.1000 mol·L^-1 CH₃COOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，并在其中4支容量瓶（2、3、4、5號）中分別加入不同量的CH₃COONH₄晶體，充分振蕩，完全溶解后觀察顏色變化;（4）向6號容量瓶中注入0.1000 mol·L^-1鹽酸，向7號容量瓶中注入0.1000 mol·L^-1氫氧化鈉溶液;（5）用色度計(jì)傳感器的綠光源（λ=565 nm）分別對6支容量瓶內(nèi)的溶液進(jìn)行透光率（T）測定，利用公式A=-lgT換算吸光度（A）并記錄于表2中。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

學(xué)生對比溶液顏色，發(fā)現(xiàn)加入CH₃COONH₄晶體后，溶液由紅色（pH<3.1）變?yōu)辄S色（pH>4.4）。這是由于溶液中CH₃COO^-離子濃度增大造成的。乙酸的電離平衡方程為CH₃COOH????CH₃COO^-+H⁺，受到抑制時，平衡逆向移動，H⁺濃度下降，溶液pH 增大，這可以證明CH₃COOH溶液存在同離子效應(yīng)。

甲基橙在水溶液中存在電離平衡HIn????In^-+H⁺。學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)^[3]得知用λ=565 nm的綠光測量其溶液的透光率時，微粒HIn、In^-均有吸收此波長的光，吸光度有加和性，即A=A_（HIn）+A_（In-）。甲基橙的電離平衡常數(shù)K_a=3.802×10^-4。

根據(jù)朗伯比爾定律A=Kbc，可知吸光度（A）與濃度（c）成正比，式中b為溶液的厚度即比色皿的寬度（此實(shí)驗(yàn)使用同一規(guī)格比色皿），K為吸收比例系數(shù)，在綠光測定時兩種微粒HIn、In^-的吸收比例系數(shù)分別被定義為K_（HIn）、K_（In-），則有以下等式：

A=A_（HIn）+A_（In-）=K_（HIn）bc_（HIn）+K_（In-）bc_（In-）（4）

測量6號與7號試樣的吸光度，可得K_（HIn）b=A_（6）/c和K_（In-）b=A_（7）/c，代入（4）可得

c×A=A_（6）×c_（HIn）+A_（7）×c_（In-）（5）

在2、3、4、5號溶液中c=c_（HIn）+c_（In-），可得

c_（HIn）/c_（In-）=[A_（7）-A]/[A-A_（6）]?????????????????????????????（6）

根據(jù)平衡常數(shù)K_a的定義（公式），計(jì)算溶液中的c_（H+）=Ka×?????????????=Ka×?????????????????????。

然后，將2、3、4、5號樣品的吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算獲得H⁺濃度填入表格。

最后，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，繪制加入添加不同CH₃COONH₄晶體后，H⁺濃度的變化曲線（如圖5）。

觀察該曲線，可以看出CH₃COOH溶液中CH₃COONH₄晶體添加越多，溶液中CH₃COO^-離子濃度越大，H⁺濃度就越小，由此證明同離子效應(yīng)存在于乙酸的電離平衡中。

總之，教師科學(xué)利用傳感技術(shù)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，可以彌補(bǔ)以往單純靠理論解釋與定性分析造成證據(jù)欠缺的不足。對于此次弱電解質(zhì)的電離平衡教學(xué)，教師組織學(xué)生參與多方位的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究活動，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)據(jù)實(shí)證來解釋平衡理論的教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)了平衡理論與“宏觀—微觀—符號”三重表征的融合，增進(jìn)了學(xué)生對化學(xué)原理的理解，提升了學(xué)生的探究意識和科學(xué)精神。

注：本文系中國化學(xué)會化學(xué)教育委員會“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題“三化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新落實(shí)化學(xué)學(xué)科育人功能與價(jià)值”（課題編號：HJ2021-0007）和浙江省2020年度教研規(guī)劃課題“基于深度學(xué)習(xí)理念的高中化學(xué)微主題式教學(xué)的實(shí)踐研究”（課題編號：G2020136）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，等.物理化學(xué)（第5版）·下冊[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 方舟，錢揚(yáng)義.運(yùn)用手持技術(shù)測定甲基橙的電離常數(shù)K_a[J].化學(xué)教育，2011（9）：71-72.

（作者張海若系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院研究生;王祖浩系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，教育部化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)研制組組長;遲少輝系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師;唐增富系華東師范大學(xué)附屬東昌中學(xué)化學(xué)特級教師）

責(zé)任編輯：祝元志