表征沉淀溶解平衡的新方法

2018-12-17张婷奚润心谢天宇

化学教与学 2018年10期

关键词：数字化实验

张婷奚润心谢天宇

摘要：选取常见难溶电解质Mg（OH）₂和CaCO₃，测定其在溶于水后溶液pH或电导率变化，表征沉淀的溶解过程;向其上层清液中滴加相应的沉淀剂，测定该过程中溶液浑浊度变化，表征沉淀的析出过程;帮助学生建构沉淀溶解平衡的概念。

关键词：难溶电解质;沉淀溶解平衡;数字化实验

文章编号：1008-0546（2018）10-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、前言

19世纪时期，工业迅猛发展，为了解决燃料的利用以及生产过程中能量的转化问题，促使化学家们研究物质发生化学反应的原因、反应进行的方向和程度。霍斯特曼第一个利用热力学基本定律解释化学过程，范霍夫将化学平衡常数K代入克拉佩隆方程并由此提出化学反应的动态平衡原理，勒夏特列研究了各种因素对化学平衡的影响，提出了更有普遍规律性的化学平衡移动原理川。吉布斯利用大量实验数据进行系统的理论研究，提出了吉布斯方程……科学家们的努力探索，使得今天的人们终于从本质上辨明了化学反应发生的内在实质。

化学反应具有方向性和一定的限度，化学平衡状态是在一定条件下可逆反应进行的最大限度。高中阶段，学生学习的化学平衡知识包含四部分：化学反应平衡、电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡。学生在此之前已认识了几类平衡体系，掌握了化学平衡的概念和特征，因此将平衡理论应用于沉淀溶解平衡的教学需解决的一个前提是，如何让学生认识到沉淀的溶解是个平衡过程。

苏教版《化学反应原理》教材中设计实验，取PbI₂（难溶于水）的上层清液加入AgNO₃溶液[2]，观察到黄色沉淀，证明上层清液中含I^-，PbI₂在水中会溶解。有老师对此实验进行改进，向PbI₂的上层清液加入KI溶液，观察到PbI₂沉淀生成，不仅证明了上层清液中含Pb²⁺，而且增大I^-浓度，使得PbI₂析出，表明该体系是一平衡体系。PbI₂是学生较为陌生的难溶电解质，为什么不用CaCO₃、Mg（OH）₂这些学生熟悉的物质做实验呢？我们对此进行了实验尝试，向CaCO₃的上层清液中滴加饱和Na₂CO₃溶液，发现没有明显沉淀析出。肉眼看不到沉淀，就代表溶液中没有CaCO₃生成吗？如何看到这些微观的粒子？数字化实验能够拓宽人体的感知范围，因此我们借助传感器技术设计实验，利用具体的实验数据和图像，帮助学生建立沉淀溶解平衡的概念。

二、实验与结果

1.实验仪器与试剂

实验仪器：100mL烧杯、玻璃棒、试管、胶头滴管、浊度传感器（配套玻璃瓶）、电导率传感器、数据采集器。

实验试剂：Mg（OH）₂固体、去离子水、酚酞、饱和NaOH溶液、CaCO₃固体、饱和NaCO₃溶液。

2.表征Mg（OH）₂的沉淀-溶解平衡

取0.1gmg（OH）₂样品于烧杯中，加入60mL去离子水，搅拌后静置。取上层清液₂mL于试管1中，滴入酚酞，发现酚酞变红，表明Mg（OH）₂溶解，产生了OH^-。

将浊度传感器，按照图1与数据采集器相连，用标准液进行校准。取Mg（OH）₂饱和溶液的上层清液于玻璃瓶（浊度传感器配套）中，测定并记录其浊度值。将玻璃瓶中的溶液倒出1/2体积，向其中加入1/2体积的饱和NaOH溶液，立即放入浊度传感器中，测定其浊度值的变化。实验数据见表1。实验发现，加入饱和NaOH溶液后，体系的浊度明显增大，表明溶液中有Mg（OH）₂沉淀生成，Mg（on）₂溶解過程是可逆的。

3.表征CaCO₃的沉淀一溶解平衡

将电导率传感器，按照图2与实验装置组合，再与数据采集器相连。取60mL去离子水烧杯中，打开磁力搅拌器，开始数据采集，向其中加入0.1gCaCO₃样品，发现溶液电导率缓慢上升（实验结果见图3），表明CaCO₃溶解，使得溶液中离子浓度上升。测定结束后将溶液静置。

取上层清液于玻璃瓶中，利用浊度传感器测定其浊度值;将玻璃瓶中溶液倒出1/2体积，向其中加入1/2体积的饱和Na₂CO₃溶液，立即放入浊度传感器中，测定其浊度值的变化。实验数据见表2。实验发现，加人饱和Na₂CO₃溶掖后，体系的浊度明显增大，表明溶液中有CaCO₃沉淀生成，证明CaCO₃的溶解过程是可逆的。

三、总结

实验选取了常见难溶电解质Mg（OH）₂和CaCO₃，首先测定其在溶于水后溶液pH或电导率变化，从而表征出沉淀的溶解过程，即：Mg（OH）₂=20H^-+Mg²⁺，CaCO₃=CO₃^2-+Ca²⁺。其次分别向其土层清液中滴加相应的沉淀剂，测定该过程中溶液浊度变化，成功让学生“看到”沉淀的析出过程，即：20H^-+Mg²⁺=Mg（OH）₂，CO₃^2-+Ca³⁺=CaCO₃。利用数字化实验采集的定量数据和图像进行对比分析，帮助学生认识到沉淀的溶解是可逆的，即：Mg（OH）₂20H^-+Mg²⁺，CaCO₃CO₃^2-+Ca²⁺，一定条件下，当沉淀的溶解速率等于沉淀的析出速率时，达到平衡状态，这就是沉淀溶解平衡。