電導率傳感器在電解質相關問題研究中的系列實驗

鄭曉慧

摘要：圍繞高中階段有關電解質的知識點，利用電導率傳感器開展系列的定量實驗，使學生對電解質、非電解質、強電解質、弱電解質有更清晰的認知，對弱電解質溶液導電能力的濃度依賴性以及同類電解質溶液的電導率進行探究，建立學生定量分析的思維模式，培養學生科學探究精神。

關鍵詞：電解質；電導率傳感器；定量分析

文章編號：1008-0546（2022）12x-0084-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.021

一、問題的提出

實驗是化學教學的重要方法和途徑，新課標[1]要求在內容上精心設計學生必做實驗，同時適當增加數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學學科的重要價值。在現行人教版[2-3]教材中，“必修第一冊”以及《化學反應原理》課本中均涉及電解質的相關知識，在傳統的教學中，經常使用將電解質溶液連入電路，通過觀察小燈泡的亮暗以及電流表的指針偏轉的方法來說明電解質與非電解質溶液中粒子的存在形式以及強弱電解質的電離區別，這種方法雖然較為直觀，但只能進行一些定性的判斷，無法做到定量分析。

數字化手持技術由于其便攜、直觀、實時、定量等特點，被廣泛應用于中學化學實驗教學與研究性學習，特別是對于電解質相關問題的研究。白濤等研究者采用電導率傳感器解決“電離平衡”教學中內容抽象、教師難講、學生難理解的問題，使微觀過程宏觀化。[4]鄧玉華、杜麗君等研究者利用數字化實驗測定無限稀釋冰醋酸過程中的電導率和pH的變化，從微觀上深入解析弱電解質的電離特征，突破越稀越電離的認識邊界。[5]顧仲良等研究者設計并開展基于數字化傳感技術多方位探究電離平衡的實驗，引導學生測定離子濃度，分析電離程度，推導電離平衡的稀釋定律、同離子效應，實現“宏觀一微觀一符號”三重表征。[6]目前，利用電導率傳感器圍繞電解質相關問題開展了非常出色的工作，但是均未對弱電解質電離平衡常數在稀釋過程中保持恒定這一事實進行推導，也未對相同類型電解質溶液的電導率進行探究，引導學生對《物理化學》中電解質溶液的相關知識產生興趣并進行深入挖掘。

在電解質相關問題研究中，應用電導率傳感器進行的一系列定量實驗，使電解質以及弱電解質電離平衡等問題更加直觀化，便于學生理解。同時，數字化的教學方式，讓學生對現代化的實驗儀器有更多的了解，培養學生在探索未知問題的過程中應用與時俱進的研究手段。第三點，也是最重要的一點，電導率傳感器能夠使學生實現從“定性判斷”到“定量分析”的思維轉變，結合一系列的創新實驗，激發學生的求知欲望與學習興趣，引發學生的思考與探索，培養學生科學探究的核心素養，使新一輪基礎教育改革的思想和理念得以進一步體現。

二、實驗部分

1．實驗原理

電導率是表示物質傳輸電流能力強弱的一種測量值，用希臘字母σ來表示。當施加電壓于導體或者電解質溶液的兩端時，其電流載體（往往稱為載流子）會呈現出朝某方向流動的行為，因而產生電流。溶液中載流子一般是離子，利用電導率傳感器測定一定條件下溶液的導電性，可以在一定程度上反應溶液中的離子濃度、種類等情況。

2．儀器及藥品

儀器：朗威DISLab LW-C802電導率傳感器，朗威DISLab LW-D801數據采集器，朗威DISLab LW-A801有線接口，DJS-IE鉑黑電導電極，燒杯，100 mL容量瓶，玻璃棒，膠頭滴管，藥匙，分析天平。

藥品：冰醋酸，濃鹽酸，氯化鈉，氯化鉀，無水乙醇。

3．實驗操作與步驟

分別配制0.1 mol/L NaCl溶液，0.1 mol/L KCl溶液，0.1 mol/L鹽酸溶液，0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L醋酸溶液，根據圖1組裝實驗裝置，在小燒杯中盛裝待測液，插入電導率傳感器，待其讀數穩定后讀取測量值，每個樣品測量三次，并取其平均值作為實驗結果。本實驗于2022年07月07日上午進行，本地室內氣溫30。C，大氣濕度60%，氣壓99.4 kPa。

三、實驗結果與討論

1．分別測定蒸餾水、無水乙醇、0.1 mol/L鹽酸溶液以及0.1 mol/L醋酸溶液的電導率。

本實驗適用于電解質相關概念模塊，有助于學生更好地理解電解質、非電解質、強電解質與弱電解質等相關概念。通過對比表1中相同溫度下無水乙醇、蒸餾水以及0.1 mol/L鹽酸溶液的電導率差別，說明三者體系中物質存在形式的差異。由于電導率傳感器非常靈敏，因此做了空白組實驗進行零點校準，由實驗結果可知，常溫下，無水乙醇的電導率幾乎為零，說明無水乙醇中幾乎不存在自由移動的離子，主要以乙醇分子的形式存在。而0.1 mol/L鹽酸溶液的電導率遠遠大于無水乙醇，說明鹽酸溶液中HCl不是以分子的形式存在，而是電離出了H+與cr，自由移動的H+和Cl-（實際上是水合H+與水合cr）使溶液的導電性大大增強。通過對比無水乙醇與鹽酸溶液電導率的區別，使學生明確電解質與非電解質的概念。通過對比相同溫度下同等濃度鹽酸溶液與醋酸溶液的電導率數值，可反映出不同電解質在水溶液中的電離能力存在差異，即完全電離與部分電離，對比相同溫度下0.1 mol/L醋酸溶液、蒸餾水的電導率，說明不同弱電解質的電離程度也存在差別，進而引出電離平衡常數的概念。

實驗結果中比較值得注意的是蒸餾水的電導率測試結果。水的電離極其微弱，具有微弱的導電性，而這種微弱的導電性無法利用傳統實驗體現出來，電導率傳感器的使用很好地揭示了水是弱電解質這一事實。25℃時，水的離子積常數Kw=lxl0-'4，水中c（H+）=c（OH一）=1X10-7 mol/L，查表得純水的電導率為5.5X10-6S／m[7]，事實上，水的電導率小于1X10 -4 S/m就認為是很純的了，有時稱為“電導水”，若大于這個數值，肯定含有某種雜質。[7]本實驗中蒸餾水的電導率為0.014 mS/cm，可能是由于實驗溫度高于室溫以及水中溶解極少量二氧化碳或殘存少量雜質離子所導致。

2．分別測定0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L醋酸溶液的電導率。

本實驗適用于弱電解質的電離平衡模塊。由表2實驗結果可知，1.0 mol/L醋酸溶液的電導率遠小于0.1 mol/L醋酸溶液電導率的十倍（大約三倍左右），說明水的加入促使醋酸分子的電離平衡右移，經過定量計算，還可以證明電離平衡常數在稀釋過程中保持恒定。

在醋酸溶液中，存在醋酸分子的電離平衡，由于水的電離極其微弱，可忽略水的電離，而將溶液的導電性歸因于醋酸分子電離出的H+以及CH3COO（實際上是水合H+與水合CH3COO），在高中階段，可認為溶液某離子所產生的電導率正比于其溶液中的離子濃度。對于實驗條件下的醋酸溶液，忽略水的電離，則有

c（ H+）≈c（CH3COO-）oc σ

即σ= kc（離子）

而醋酸分子電離微弱，資料表明，常溫下0.1 mol/L醋酸溶液的電離度僅約為1.3%，因此醋酸分子的濃度可近似為溶液的表觀濃度。因此對于不同濃度的醋酸溶液，其電離平衡常數的比值就近似為電導率的平方除以溶液的表觀濃度的比值，其表達式如下：

如果依據以上推導，電導率的平方除以溶液表觀濃度的值應該是一個常數。但是在對實驗中的電導率的平方除以溶液表觀濃度的值對溶液的表觀濃度作圖后卻發現，如圖2所示，電導率的平方除以溶液表觀濃度的值對溶液的表觀濃度變化呈現出良好的線性關系，但卻不是常數，而是隨著溶液濃度升高而比值降低。同時我們也應該注意到，在上述電離平衡常數比值計算中，0.96距離1也還是存在一些偏差。一方面，溶液濃度的變化影響醋酸分子的電離程度，進而導致醋酸分子的濃度與溶液的表觀濃度發生偏差，同時，醋酸溶液稀釋到一定程度時，水的電離就不能忽略；另一方面，H+以及CH3COO-對電導率的貢獻實際并不相同，進而導致曲線隨著溶液濃度升高而呈現下降的趨勢。

3．分別測定0.1 mol/L鹽酸溶液、0.1 mol/L NaCl溶液以及0.1 mol/L KCl溶液的電導率。

本實驗可作為一個探究實驗，引發學生的進一步思考。在高中生的認知里，在溫度等外界條件相同時，溶液的導電性只與溶液中離子濃度以及離子所帶電荷數相關，對于相同濃度的鹽酸溶液、NaCl溶液以及KCl溶液而言，由于是強電解質，三者在水溶液中完全電離，所帶電荷數也相同，其導電能力應該相同，但是從實驗獲得的電導率數據來看，如表3所示，同等條件下，三者的電導率相差較大且σ（HCl）>σ（KCl）>σ（ NaCl），這說明不同離子在水溶液中的導電能力是不同的，進而涉及到溶液中離子的電遷移率及其相關影響因素等若干問題。

對于同等濃度的NaCl溶液和KCl溶液而言，電導率的差異可歸因于Na+和K+不同的電遷移率。在水溶液中，二者均以水合離子的形式存在，在同主族離子中，隨著原子序數增加，離子半徑逐漸增大，通常會使其吸附水分子的能力逐漸減弱，導致其水合離子的半徑逐漸減小，因此，K+的水合離子半徑小于Na+的水合離子半徑，在外加電場的水溶液中遷移時，K+所受阻礙更小，電遷移率更大。同時我們應注意到，同等條件下，0.1 mol/L鹽酸溶液的電導率遠遠大于同等濃度NaCl溶液以及KCl溶液的電導率，這是由于H+特殊的傳導電流方式造成的。在溶液中，離子通過在電場下的定向移動以及在陰陽電極的得失電子完成電流的傳導，而H+在溶液中主要依靠一種質子傳遞機理（Grotthuss機理）傳導電流，離子本身并未長程移動，而是依靠氫鍵在相鄰水分子之間鏈式傳遞，如圖3所示，其效果如同H+以很高的速率遷移一樣，因此具有很高的電遷移率[7]。此處向學生引出電遷移率的概念，引發學生更多的思考與探究。實際上，對于實驗2中的醋酸溶液，由于H+與CH3COO-的電遷移率相差較大，溶液的電導率主要由H+貢獻，但是由于溶液中c（H+）≈c（CH3COO-），因此不會對電離平衡常數的計算造成影響。

四、總結與展望

本文利用電導率傳感器圍繞電解質的相關知識開展了系列定量實驗：實驗1夯實基礎，以更加直觀的視角加深學生對電解質相關概念的理解；實驗2突破難點，通過具體的數值計算，驗證弱電解質電離平衡常數在稀釋過程中保持恒定，培養學生的定量思維；實驗3拓展探究，通過學生意料之外的實驗現象激發學生的求知欲望，培養學生的科學探究精神。在實驗設計上，秉承由淺人深、由易到難的原則，層層推進，逐步深入，既適應學生的學習規律，又使學生的學科素養得以提升。

筆者認為，利用電導率傳感器還可以做出更多的探索：例如利用電導率傳感器探究離子反應的條件，探究弱電解質電離平衡的影響因素，探究難溶電解質的沉淀溶解平衡等。這些實驗不僅僅適合教師科研，更適合走進課堂，走進學生，讓學生手腦并用，體驗探索的樂趣，體會與時俱進的實驗手段下愈發迷人的化學。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．普通高中教科書（化學必修第一冊）[M]．北京：人民教育出版社，2020．

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心，普通高中教科書（化學選擇性必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4] 白濤．基于手持技術和多媒體技術的“電離平衡”教學研究[J].化學教育，2010（3）：78-80．

[5]鄧玉華，杜麗君．數字化實驗在化學核心素養“宏觀辨識與微觀探析”維度的教學應用——以弱電解質的教學為例[J]化學教育，2019（21）：77-81．

[6] 顧仲良．技術支持下多方位探究離子濃度的教學設計——以“弱電解質的電離平衡”為例[J]．中小學數字化教學，2022（2）：11-14．

[7] 印永嘉．物理化學簡明教程[M]．北京：高等教育出版社，2007．