赵 瑞，陈娅娟，李 睿

(云南师范大学 化学化工学院，云南 昆明 650500)

1 问题的提出

水为弱电解质，能够发生微弱电离，其电离过程受到外界条件的影响。例如，温度、酸、碱、盐和部分金属的影响。然而，水电离过程的变化不能通过肉眼直观地观察，致使学生难以理解此部分内容。另外，在人教版高中化学选择性必修1第三章模块中并未呈现相关内容，但在相关测试中往往会考查。通过对近几年高考试题的分析发现：试题常涉及对化学平衡图表分析的考查。因此，借助手持技术对“水的电离影响因素”实验设计，不仅有利于发展“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“科学探究与创新意识”学科核心素养，而且培养分析、概括总结能力，具有十分重要的意义。本实验通过手持技术直观、实时地呈现水电离受到酸、碱和盐影响时的曲线，以图像形式表征，将微观化学变化可视化，以及通过Kw、c(H+)H2O和c(OH-)H2O关系，验证外界条件对水的电离的影响程度。直观及时的图像和清晰的验证过程，使学生实现真正的理解。本实验中因温度对水电离的影响程度极小，图像变化趋势不明显，由此不予其探讨。

手持技术由传感器(本实验主要采用pH传感器)、数据采集器、DISLab软件组成，通过数据采集器采集和处理pH传感器监测的pH值，将其传输给电脑，软件自动绘图[1]。

2 实验过程

2.1 实验原理

2.2 实验仪器与药品

仪器：DISLab系统、数据采集器、pH传感器、磁力搅拌器、传感器连接线、USB连接线、50 mL 烧杯、玻璃棒、分析天平、药匙、铁架台。

药品：蒸馏水、0.1 mol/L 稀HCl溶液、0.1 mol/L 稀NaOH溶液、1.0000 g 碳酸钠、1.0000 g 氯化铵、1.0000 g 醋酸铵。

2.3 实验设计

依据选取实验原料原则：易得、廉价、环保等，本实验选取HCl、NaOH、Na2CO3、NH4Cl、CH3COONH4为主要试剂，具体实验设计如表1所示。

表1 实验设计

2.4 实验步骤

1)用蒸馏水清洗传感器并校准[2]；

2)分别称取 1.0000 g NH4Cl固体粉末、1.0000 g Na2CO3固体粉末、1.0000 g CH3COONH4固体粉末及 1.0000 g NaOH固体，配制 0.1 mol/L 稀HCl溶液和 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

实验一：取 100 mL 蒸馏水于 250 mL 烧杯中，连接装置，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀HCl溶液，运行软件，观察实验现象。实验结束后用蒸馏水清洗pH传感器，并浸泡在 0.1 mol/L KCl溶液中。

实验二：步骤同上，向其中加入配制好的 0.1 mol/L 稀NaOH溶液。

实验三：同上，向其中加入 1.0000 g NH4Cl固体粉末。

实验四：同上，向其中加入 1.0000 g Na2CO3固体粉末。

实验五：同上，向其中加入 1.0000 g CH3COONH4固体粉末。

实验结果见图1～图5。

1)实验一

由图1可知：纯水的pH为7.2，向其中加入 0.1 mol/L稀HCl溶液(pH为1)，pH骤减；达到平衡时，pH为1.22，略大于1，存在较小误差。由于纯水pH为7.2，即水电离出的H+浓度为10-7.2mol/LF，根据c(H+)H2O=c(OH-)H2O,则水电离出的OH-浓度为 10-7.2mol/L，以及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O,可知此温度下的KW为10-14.4。向水中加入稀盐酸后，此时溶液中的H+主要有两个来源：水的电离和盐酸的完全电离，因此比较加入强酸前后OH-的浓度变化表征水的电离的影响程度。

图1 实验一结果

依据c(H+)H2O=c(OH-)H2O、及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O计算任取加入强酸后的两点：

pH为6时，c(H+)=10-6mol/L,c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-8.4mol/L<10-7.2mol/L；

pH为4时，c(H+)=10-4mol/L，c(OH-)=c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-10.4mol/L<<10-7.2mol/L；

因此说明强酸抑制水的电离。

2)实验二

同理，向水中加入强碱，此时溶液中的OH-主要有两个来源：水的电离和氢氧化钠的完全电离，比较加入强碱前后的OH-浓度变化表征水的电离的影响程度。

图2 实验二结果

依据c(H+)H2O=c(OH-)H2O及KW=c(H+)H2O·c(OH-)H2O计算，任取加入强碱后的两点：

pH为9时，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-9mol/L<10-7.2mol/L;

pH为11时，c(OH-)H2O=c(H+)H2O=10-11mol/L<<10-7.2mol/L；

强碱抑制水的电离。

3)实验三

通过数字化实验所得图3分析：未加入NH4Cl固体时，c(H+)H2O=c(OH-)H2O=10-7.85mol/L；加入且达到平衡时，c(H+)H2O=10-6.64mol/L>10-7.85mol/L，因此证实强酸弱碱盐促进水的电离。

图3 实验三结果

4)实验四

加入且达到平衡时，c(OH-)H2O=10-3.31mol/L>10-7.5mol/L，证实强碱弱酸盐促进水的电离。

图4 实验四结果

5)实验五

图5 实验五结果

2.5 实验反思

通过5组实验数据分析，笔者发现，每一组所测得的纯水pH均存在较小偏差，可能是由于pH传感器未洗净导致。另外，依据盐类水解等理论内容，弱酸弱碱促进水的电离程度应大于强酸弱碱盐，但本实验中两组数据相差程度较小，主要是因为醋酸铵易潮解，对水的电离的影响程度减弱。因此，在后续的实验研究中，每组实验应采用不同的烧杯，以及确保清洗干净pH传感器，并校准；其次，鉴于弱酸弱碱盐对水的电离的影响，不宜长时间将其暴露在空气中。

3 结语

新时代人才培养需求发生改变，倡导构建以学生为中心的课堂教学，尊重学生个性化，借助信息技术架构学生有效学习，进而促进其全面发展[3]。手持技术将定性实验研究转化为定量实验研究，有利于学生理解化学反应原理；通过数字化实验系统绘制曲线，操作简单方便，加深学生对知识的理解[4]。

本实验借助手持技术将水的电离影响因素内容直观化，通过分析实验所得图表，依据Kw=c(H+)H2O·c(OH-)H2O及c(H+)H2O=c(OH-)H2O计算水电离出的H+或OH-，进而说明强酸、强碱和盐类对水的电离的影响程度。虽然实验设计还需进一步改进，但将手持技术应用于高中化学课堂教学，定性与定量相结合，可以增强理论内容的说服力。另外，手持技术将微观化学变化可视化，学生通过实验图像实时、直观地观察和分析其化学变化，促进学生实现理解及化学学科核心素养的发展。与此同时，信息技术“走进”高中化学课堂教学，实现课堂教学的“现代化”，符合当前课程改革的要求，促进学生化学学科核心素养的形成和发展，也为一线教师提供教学方向。