钱微达

摘    要： 本文以鲁科版《化学反应原理》[1]选修模块第3章第4节“离子反应”的第2课时“离子反应的应用”中的物质含量测定——酸碱中和滴定的课堂教学设计为例，充分将数字化实验技术与高中学化学教学相结合，为课堂教学提供实时数据信息资源，并以图像形式直观展示，有效激发学生的学习积极性，促进其自主建构知识体系。

关键词： 数字化实验技术    离子反应的应用    pH传感器    酸碱中和滴定

利用滴定法对物质含量进行测定，是高中化学教学的重点内容。在滴定法原理教学中，“中和滴定法测定强酸、强碱溶液的浓度”是入门的常用实例。但对酸碱中和滴定终点的判定方法，传统教学通常仅是介绍利用指示剂的变色指示终点，对于其原因，一般不做解释和强调。因而学生的理解仅停留在浅层次，多是利用机械记忆进行掌握。本研究应用数字化实验技术，探究借助指示剂判断滴定终点的原因，激发学生的好奇心，为学生提供动态、直观的数据图像信息，再通过教师的引导对实验数据的分析讨论进行总结，促使学生自主建构该知识体系。

一、课堂教学设计及评析

“酸碱中和滴定”的教学设计以建构主义理论为指导，基于数字化实验技术设计多个实验探究活动，不断激发学生认知矛盾。教师引导以学生为主体，通过对实验数据的分析讨论、逐级生成认知，建构相关知识体系。

1.“中和滴定法测定强酸、强碱溶液浓度”的原理。

教学设计思路：

提出问题：中和反应是酸碱溶液中的H■和OH■按照1∶1的计量比进行的反应。常温下，强酸强碱恰好中和时，溶液的pH=7。在滴定操作中，为了得知已达到滴定终点进而停止滴定，通常借助酸碱指示剂的变色进行判断。那么，指示剂变色时，溶液的pH就等于7吗？

图1    中和商定装置

演示实验一：

（1）于课前先如图1安装好仪器装置，连接计算机、数据采集器及pH传感器，打开数据采集器开关，进入朗威？襅DISLab6.0软件系统，点击“通用软件，系统自动识别接入的传感器，并显示pH值”。

（2）对pH传感器进行预处理。

（3）用移液管移取20ml未知浓度盐酸至100ml烧杯中，放入搅拌磁子，滴加2～3滴酚酞并将烧杯置于磁力搅拌器上。用蒸馏水洗涤pH传感器，并用滤纸吸干。将pH传感器电极玻璃泡完全浸入烧杯中的盐酸液面下，调整磁力搅拌子位置防止碰撞电极。备用。

（4）课堂上，打开“计算表格”，添加代表NaOH滴定体积的变量“V”，点击“平铺窗口”。进行磁力搅拌，待显示的pH值稳定后选择“手动记录”，记下初始pH值，同时在相应位置录入滴定管内液体的初始体积。

（5）用0.0938mol/L的NaOH标准溶液进行滴定。滴定刚开始时，滴加可稍快一点（2～3滴/s），并注意pH值的变化。当pH值明显变化时，选择“手动记录”pH值，同时在表内记下NaOH的滴定体积读数。当pH值变化更快时，每滴一滴，充分搅拌，并注意pH值的变化，适时记录消耗NaOH溶液的体积。

（6）当溶液变成浅红色时，记录此时的pH和滴定体积数据，再滴加一定量的NaOH溶液，注意滴加时pH值的变化。

实验数据：

图2    中和滴定反应终点

图3    中和滴定指示剂变色的滴定终点

问题探究：指示剂变色时，溶液的pH就等于7吗？中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点是否相同？

问题解决：教师组织引导学生通过讨论得出相关结论。

用中和滴定法测定强酸、强碱溶液的浓度，反应终点（强酸强碱恰好中和时），溶液的pH等于7。而利用指示剂变色判断的滴定终点，pH并不等于7。即中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点并不相同。

总结提升：在此情境下，教师引导学生由个体到一般，介绍几种常见的中和滴定指示剂的变色pH范围。

评析：通过数字化实验技术将中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点pH，直观地展示在学生面前，让学生在客观的事实数据中发现问题，出现认知矛盾，自然产生了“中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点并不相同。这对实验结果有没有影响？”的疑问，激发学生探究事物本质的欲望。

2.中和滴定时指示剂的选择。

教学设计思路：

提出问题：中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点并不相同。这对实验结果有没有影响？

演示实验二：

（1）接着实验一的操作，点击“绘图”，设定x轴为“V”、y轴为“pH”，得到一系列“V-pH”数据点。点击“设置”，取消“只画离散点”即可得到用标准NaOH溶液滴定未知浓度盐酸的滴定曲线图。

（2）右键选择“鼠标显示坐标值”，沿滴定曲线得到pH=7时的NaOH滴定体积，可算得未知浓度HCl的浓度c■。再沿滴定曲线得到pH=9时的NaOH滴定体积，可算得未知浓度HCl的浓度c■。比较c■和c■。

实验数据：

图4    标准NaOH溶液滴定未知浓度盐酸溶液的V-pH图像

问题探究：

（1）通过计算比较c■和c■。

（2）中和滴定的反应终点和用指示剂变色判断的滴定终点不相同对实验结果有没有影响？

（3）如何选择合适的酸碱中和滴定指示剂？

问题解决：教师引导学生进行图像观察和数据分析，通过讨论得出相关结论。

在酸碱中和滴定过程中，反应终点附近的pH变化会发生突跃，即微量的滴定试剂引入就会引起明显的pH变化。只要滴定时指示剂的变色范围落在pH突跃范围内，则（用指示剂变色判断的）滴定终点对应的标准液滴定体积与理论反应终点对应的标准液滴定体积差异就很小。并且是在溶液浓度较小的情况下进行的滴定，所以造成的误差可以忽略。在实际酸碱中和滴定的操作中可以用指示剂的变色判断达到滴定终点。

总结提升：举一反三，练习巩固。判断强酸弱碱的滴定及强碱弱酸的滴定应选择的指示剂。同时提醒注意，滴定时使用的溶液浓度不宜太浓，应是稀溶液的滴定。

评析：改变以往学生通过机械记忆，浅层次掌握酸碱中和滴定时合适指示剂选择的情况。本研究通过数字化实验技术实时得出动态图像和客观数据，引导学生通过标准氢氧化钠溶液滴定未知盐酸溶液过程中pH数据的分析，让学生发现pH突跃的存在;通过对图像数据的计算分析，得出稀酸碱溶液滴定时，实际滴定终点和理论终点存在的误差可忽略。在学生理解强酸强碱中和滴定指示剂选择的原理之后，用强弱酸碱滴定时的指示剂选择进行拓展练习，促成学生自主逐步构建滴定法原理，不断突破该难点内容。

3.指示剂的选择和滴定终点判断的综合应用。

教学设计思路：以攻为守，再次引发认知矛盾，引导学生的思维进一步深入。

演示实验三：

（1）用移液管移取20ml未知浓度的碳酸钠溶液至100ml烧杯中，放入搅拌磁子。用蒸馏水洗涤pH传感器，并用滤纸吸干。将pH传感器电极玻璃泡完全浸入烧杯中的碳酸钠液面下，调整磁力搅拌子位置防止碰撞电极。

（2）开启磁力搅拌器，待系统显示的pH值稳定后点击“绘图”，设定x轴、y轴分别为“t”、“pH”，得出一组“t-pH”数据点。调节滴定管滴数，用标准盐酸溶液匀速进行滴定。点击“设置”，取消“只画离散点”，即得到已知标准盐酸溶液滴定未知浓度碳酸钠溶液的滴定曲线。

实验数据：

图5    标准盐酸溶液滴定未知浓度的碳酸钠溶液的t-pH图像

问题探究：

（1）标准盐酸溶液滴定未知浓度的碳酸钠溶液的t-pH图像有什么特点？如何解释？

（2）若有甲基橙和酚酞两种指示剂，如何选择使用？怎样判断滴定终点？滴定终点时反应物的计量比是多少？

问题解决：在教师引导下，学生通过讨论得出相关结论：

该曲线存在两个突跃。因为将盐酸逐滴滴加到碳酸钠溶液中，反应是分步进行的。随盐酸用量的增多，首先生成的是碳酸氢钠，最后才生成水和二氧化碳。两步反应分别对应两次突跃。第一次突跃pH在8附近，碳酸氢钠溶液呈碱性，可选择酚酞为指示剂，反应物计量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=1∶1;第二次突跃pH在4附近，碳酸溶液呈酸性，可选择甲基橙为指示剂，反应物计量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=2∶1。

总结提升：可以从理论终点选择合适的指示剂，或由实际选择的指示剂判断理论终点发生时的反应物计量比。

评析：利用盐酸滴定碳酸钠溶液的分步反应，动态呈现出出乎学生意料的有趣的曲线图像，生动地创设思维情境，激发学生探究欲望。引导学生综合应用已有的知识技能，积极思考解决新问题，将学生对酸碱中和滴定的理解掌握引向深入。

二、教学小结

本课堂教学教师充分运用数字化实验技术，通过三个探究实验，不断创设情境引发学生的认知矛盾，引导学生通过图表和数据分析，对酸碱中和滴定进行步步深入的理解、掌握和巩固，分层次有效突破该节课的教学重难点，充分体现教师为主导、学生为主体的教学方式。教学过程中学生的好奇心和探究欲不断被激发，图像、数据分析能力、自主思维、讨论合作、表达能力都得到有效训练。将数字化实验技术充分应用于中学化学课堂教学值得不断尝试。

参考文献：

[1]北京师范大学国家基础教育课程标准实验教材总编委会组编.普通高中化学课程标准实验教科书（化学反应原理选修）[M].济南：山东科学技术出版社，2011：7.