張婷 奚潤(rùn)心 謝天宇

摘要：選取常見難溶電解質(zhì)Mg（OH）₂和CaCO₃，測(cè)定其在溶于水后溶液pH或電導(dǎo)率變化，表征沉淀的溶解過程;向其上層清液中滴加相應(yīng)的沉淀劑，測(cè)定該過程中溶液渾濁度變化，表征沉淀的析出過程;幫助學(xué)生建構(gòu)沉淀溶解平衡的概念。

關(guān)鍵詞：難溶電解質(zhì);沉淀溶解平衡;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2018）10-0090-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、前言

19世紀(jì)時(shí)期，工業(yè)迅猛發(fā)展，為了解決燃料的利用以及生產(chǎn)過程中能量的轉(zhuǎn)化問題，促使化學(xué)家們研究物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原因、反應(yīng)進(jìn)行的方向和程度。霍斯特曼第一個(gè)利用熱力學(xué)基本定律解釋化學(xué)過程，范霍夫?qū)⒒瘜W(xué)平衡常數(shù)K代入克拉佩隆方程并由此提出化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡原理，勒夏特列研究了各種因素對(duì)化學(xué)平衡的影響，提出了更有普遍規(guī)律性的化學(xué)平衡移動(dòng)原理川。吉布斯利用大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，提出了吉布斯方程……科學(xué)家們的努力探索，使得今天的人們終于從本質(zhì)上辨明了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的內(nèi)在實(shí)質(zhì)。

化學(xué)反應(yīng)具有方向性和一定的限度，化學(xué)平衡狀態(tài)是在一定條件下可逆反應(yīng)進(jìn)行的最大限度。高中階段，學(xué)生學(xué)習(xí)的化學(xué)平衡知識(shí)包含四部分：化學(xué)反應(yīng)平衡、電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡。學(xué)生在此之前已認(rèn)識(shí)了幾類平衡體系，掌握了化學(xué)平衡的概念和特征，因此將平衡理論應(yīng)用于沉淀溶解平衡的教學(xué)需解決的一個(gè)前提是，如何讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到沉淀的溶解是個(gè)平衡過程。

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，取PbI₂（難溶于水）的上層清液加入AgNO₃溶液[2]，觀察到黃色沉淀，證明上層清液中含I^-，PbI₂在水中會(huì)溶解。有老師對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，向PbI₂的上層清液加入KI溶液，觀察到PbI₂沉淀生成，不僅證明了上層清液中含Pb²⁺，而且增大I^-濃度，使得PbI₂析出，表明該體系是一平衡體系。PbI₂是學(xué)生較為陌生的難溶電解質(zhì)，為什么不用CaCO₃、Mg（OH）₂這些學(xué)生熟悉的物質(zhì)做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？我們?duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)嘗試，向CaCO₃的上層清液中滴加飽和Na₂CO₃溶液，發(fā)現(xiàn)沒有明顯沉淀析出。肉眼看不到沉淀，就代表溶液中沒有CaCO₃生成嗎？如何看到這些微觀的粒子？數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲貙捜梭w的感知范圍，因此我們借助傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，幫助學(xué)生建立沉淀溶解平衡的概念。

二、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：100mL燒杯、玻璃棒、試管、膠頭滴管、濁度傳感器（配套玻璃瓶）、電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集器。

實(shí)驗(yàn)試劑：Mg（OH）₂固體、去離子水、酚酞、飽和NaOH溶液、CaCO₃固體、飽和NaCO₃溶液。

2.表征Mg（OH）₂的沉淀-溶解平衡

取0.1gmg（OH）₂樣品于燒杯中，加入60mL去離子水，攪拌后靜置。取上層清液₂mL于試管1中，滴入酚酞，發(fā)現(xiàn)酚酞變紅，表明Mg（OH）₂溶解，產(chǎn)生了OH^-。

將濁度傳感器，按照?qǐng)D1與數(shù)據(jù)采集器相連，用標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行校準(zhǔn)。取Mg（OH）₂飽和溶液的上層清液于玻璃瓶（濁度傳感器配套）中，測(cè)定并記錄其濁度值。將玻璃瓶中的溶液倒出1/2體積，向其中加入1/2體積的飽和NaOH溶液，立即放入濁度傳感器中，測(cè)定其濁度值的變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入飽和NaOH溶液后，體系的濁度明顯增大，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

將電導(dǎo)率傳感器，按照?qǐng)D2與實(shí)驗(yàn)裝置組合，再與數(shù)據(jù)采集器相連。取60mL去離子水燒杯中，打開磁力攪拌器，開始數(shù)據(jù)采集，向其中加入0.1gCaCO₃樣品，發(fā)現(xiàn)溶液電導(dǎo)率緩慢上升（實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3），表明CaCO₃溶解，使得溶液中離子濃度上升。測(cè)定結(jié)束后將溶液靜置。

取上層清液于玻璃瓶中，利用濁度傳感器測(cè)定其濁度值;將玻璃瓶中溶液倒出1/2體積，向其中加入1/2體積的飽和Na₂CO₃溶液，立即放入濁度傳感器中，測(cè)定其濁度值的變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加人飽和Na₂CO₃溶掖后，體系的濁度明顯增大，表明溶液中有CaCO₃沉淀生成，證明CaCO₃的溶解過程是可逆的。

三、總結(jié)

實(shí)驗(yàn)選取了常見難溶電解質(zhì)Mg（OH）₂和CaCO₃，首先測(cè)定其在溶于水后溶液pH或電導(dǎo)率變化，從而表征出沉淀的溶解過程，即：Mg（OH）₂=20H^-+Mg²⁺，CaCO₃=CO₃^2-+Ca²⁺。其次分別向其土層清液中滴加相應(yīng)的沉淀劑，測(cè)定該過程中溶液濁度變化，成功讓學(xué)生“看到”沉淀的析出過程，即：20H^-+Mg²⁺=Mg（OH）₂，CO₃^2-+Ca³⁺=CaCO₃。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集的定量數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行對(duì)比分析，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到沉淀的溶解是可逆的，即：Mg（OH）₂20H^-+Mg²⁺，CaCO₃CO₃^2-+Ca²⁺，一定條件下，當(dāng)沉淀的溶解速率等于沉淀的析出速率時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，這就是沉淀溶解平衡。

高中階段，學(xué)生接觸的大部分難溶電解質(zhì)是白色固體，并且其溶解過程和沉淀生成過程根難通過肉眼觀測(cè)到相關(guān)變化。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)思路適用于表征大多數(shù)難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡，可為沉淀溶解平衡的相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]白錦會(huì)，戴志松.化學(xué)熱力學(xué)的歷史發(fā)展[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1991（2）：245

[2]王祖浩.化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京：江蘇風(fēng)凰教育出版社，2014：87