王棟

摘要： 基于建構(gòu)主義思想設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自主建構(gòu)酸雨的概念（酸雨基準(zhǔn)確定的依據(jù)），用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證硫酸型酸雨放置時(shí)pH下降的事實(shí)。簡要闡明酸雨判斷（pH≤5.6）的理論依據(jù)，討論分析模擬雨水（空氣飽和蒸餾水）pH<5.6的原因、大氣中CO2濃度變化對雨水pH的影響，介紹學(xué)術(shù)界提出的對酸雨基準(zhǔn)的建議。作為一種工具，傳感器技術(shù)在學(xué)習(xí)中的作用應(yīng)當(dāng)是參與知識的建構(gòu)，而不僅僅是獲取信息的手段。

關(guān)鍵詞： 酸雨教學(xué); 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 酸雨基準(zhǔn); pH傳感器

文章編號： 10056629（2018）10006904中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

高中化學(xué)關(guān)于酸雨的教學(xué)中，有兩個(gè)問題是教學(xué)難點(diǎn)： 問題1，不能準(zhǔn)確理解酸雨基準(zhǔn)pH=5.6的確定依據(jù);問題2，不明白硫酸型酸雨放置一段時(shí)間后pH下降的原因。實(shí)際教學(xué)中，解決問題1的方法主要是由教師講述： 空氣中有少量二氧化碳?xì)怏w，溶于水并與水反應(yīng)生成碳酸呈酸性，其最小pH是5.6;若某次降水的pH小于5.6，則空氣一定被其他酸性氣體污染，而非空氣中的二氧化碳?xì)怏w所致。但學(xué)生的理解不盡相同（惑），大部分學(xué)生錯誤理解為在蒸餾水中通入純凈二氧化碳?xì)怏w至飽和時(shí)溶液的pH是5.6。解決問題2也通常是教師告訴學(xué)生一個(gè)事實(shí)，亞硫酸是弱酸，與空氣中的氧氣反應(yīng)生成的硫酸是強(qiáng)酸，酸性增強(qiáng)，所以溶液pH下降。這種蒼白無力的告知，對還未學(xué)習(xí)電離平衡知識的高一學(xué)生來說一臉茫然（疑），教學(xué)效果不盡如人意。

針對上述問題，我們借助于Vernier pH傳感器技術(shù)，基于建構(gòu)主義思想設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在自主建構(gòu)中形成酸雨的概念，消除了上述疑和惑。

1解惑——用實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)事實(shí)

“惑”，亂也。意為分辨不清，不明對錯?！敖饣蟆?，意為解除迷惑。

空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)[φ（CO2）]約為0.034%（340ppm： 1980年數(shù)據(jù)[1]），二氧化碳溶于水存在以下平衡體系[2][3]：

基于上述計(jì)算，含少量二氧化碳的空氣與水的平衡體系的pH與純二氧化碳與水的平衡體系的pH顯然不同。為讓學(xué)生建構(gòu)這一概念，我們設(shè)計(jì)了測定去氣體蒸餾水和被空氣飽和蒸餾水（模擬自然雨水）的pH兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，用以創(chuàng)設(shè)基于真實(shí)問題的學(xué)習(xí)情境，并形成學(xué)習(xí)任務(wù)。在提供相關(guān)學(xué)習(xí)資源后，學(xué)生自主設(shè)計(jì)了測定飽和二氧化碳水溶液的pH的實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析自主得出酸雨基準(zhǔn)確定依據(jù)是“被空氣飽和雨水的pH”的結(jié)論，較準(zhǔn)確地理解了酸雨的概念。

實(shí)驗(yàn)1制備去氣體蒸餾水： 在1000mL燒杯中加入約600mL蒸餾水，用電爐加熱，保持沸騰狀態(tài)15分鐘，去除蒸餾水中溶解的氣體。移去熱源，用家用食品保鮮膜覆蓋在水表面上，盡可能不讓已經(jīng)去除氣體的蒸餾水接觸空氣，冷卻至室溫，備用。

用pH=4.00（±0.01）和pH=9.18（±0.01）的緩沖溶液（上海三信儀表廠）校準(zhǔn)Vernier pH傳感器。

裝配儀器，將Vernier pH傳感器（精確到0.01）與數(shù)據(jù)采集器連接，取去氣體蒸餾水，測定其pH。測定結(jié)果約等于7，說明去氣體水為中性或接近中性。（受測定條件的限制，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中較難制得pH為7.00的中性水，實(shí)際測定值在6.80～7.00之間）

實(shí)驗(yàn)2制備模擬自然雨水（飽和空氣蒸餾水）： 取室溫下約200mL去氣體蒸餾水加入到洗凈的家用噴霧器中，備用;準(zhǔn)備一只長×寬×高約為70cm×70cm×100cm（體積約為500L）的塑料袋，展開袋口并設(shè)法支撐固定好塑料袋，將噴霧器置于袋口上方，向塑料袋中噴霧，塑料袋用于收集霧狀水。使水呈現(xiàn)霧狀的目的是讓水充分與空氣接觸，充分溶解空氣中的二氧化碳?xì)怏w，模擬自然雨水。必要時(shí)可以進(jìn)行二次噴霧，以確保二氧化碳溶解達(dá)最大量。

用Vernier pH傳感器測定飽和空氣蒸餾水的pH。測定結(jié)果pH大約為5.2～5.4。多次測定的結(jié)果顯示其pH都小于5.6。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果會讓學(xué)生產(chǎn)生疑問，為什么模擬雨水（飽和空氣蒸餾水）不是中性的？為什么該蒸餾水的pH比5.6還要??？從而形成本課的主要學(xué)習(xí)任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)3制備飽和CO2水溶液： 取約200mL去氣體蒸餾水，高強(qiáng)度快速通入純凈CO2氣體（工業(yè)瓶裝壓縮CO2氣體，非實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)方法制?。?0分鐘左右，使CO2氣體達(dá)到溶解飽和狀態(tài)。

用Vernier pH傳感器測定飽和CO2水溶液的pH，如圖1所示。

以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)真實(shí)呈現(xiàn)去氣體的蒸餾水、模擬自然雨水（飽和空氣蒸餾水）和飽和二氧化碳水溶液的pH。通過比較分析，學(xué)生認(rèn)識到酸雨基準(zhǔn)（pH=5.6）不是將純凈二氧化碳?xì)怏w通入到水中形成飽和溶液的酸度，而是將空氣溶解于水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的酸度。這種切身的體驗(yàn)和感悟消除了學(xué)生心中對酸雨基準(zhǔn)確定依據(jù)的迷惑，加深了對酸雨概念的理解。

2釋疑——用技術(shù)讓理論說話

“疑”，不明白、不相信，“釋疑”，意為解釋疑問，消除疑難。

在高中學(xué)習(xí)二氧化硫性質(zhì)及酸雨知識時(shí)，學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)有關(guān)電解質(zhì)溶液的知識，并不知道相同條件下二元強(qiáng)酸的pH要比同濃度的二元弱酸的pH?。聪嗤瑮l件下二元強(qiáng)酸溶液中的氫離子濃度要比等濃度的二元弱酸溶液中的氫離子濃度大），所以在試圖向?qū)W生解釋硫酸型酸雨放置一定時(shí)間后的pH下降的原因時(shí)，學(xué)生一般不易理解，產(chǎn)生疑問在所難免。為了消除學(xué)生的疑難，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證在模擬pH=4的酸雨中通入氧氣（或加入雙氧水）時(shí)，溶液pH發(fā)生變化情況，讓枯燥的理論變?yōu)榭梢暬臄?shù)據(jù)，用實(shí)驗(yàn)代替蒼白無力的說教，直觀解答學(xué)生產(chǎn)生的疑問。

實(shí)驗(yàn)4在500mL的燒杯中加入200mL去氣體蒸餾水，放在磁力攪拌器上，用注射器向去氣體蒸餾水中慢慢通入少量SO2氣體（SO2由實(shí)驗(yàn)室用亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)制得，用量一般小于10mL），控制pH在4左右。小心地向其中通入純凈氧氣（由醫(yī)用氧氣袋供氣）或加入兩滴30%的雙氧水。

用Vernier pH傳感器測定溶液的pH。測定結(jié)果： 溶液pH下降0.4左右。

空白試驗(yàn)： 另取200mL去氣體蒸餾水，用稀鹽酸調(diào)至pH等于4左右，向其中加入兩滴30%的雙氧水，測定溶液pH，結(jié)果顯示pH下降0.10～0.15左右）。

該實(shí)驗(yàn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)測定了亞硫酸在氧化為硫酸的過程中pH的變化，結(jié)合教師的分析，學(xué)生能認(rèn)清相同條件下亞硫酸溶液的pH要比同濃度的硫酸的pH大的事實(shí)，也為以后學(xué)習(xí)電解質(zhì)溶液的性質(zhì)做好一定的知識準(zhǔn)備。

3問題與討論

（1） 多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明久置于空氣中的蒸餾水的pH都小于5.6（實(shí)驗(yàn)2測定結(jié)果為5.2～5.4），我們認(rèn)為原因有二： 一是實(shí)驗(yàn)條件下的空氣并不是理想的只含有少量CO2的氮?dú)?、氧氣混合氣體，而是已經(jīng)不同程度地被SO2等酸性氣體污染過的氣體;二是由于人類活動，室內(nèi)空氣中的二氧化碳?xì)怏w的含量要大于平均值，有研究測得室內(nèi)CO2的含量達(dá)520～660ppm[4]，二氧化碳濃度的增大，使溶液酸度增大。

（2） 本研究使用1980年數(shù)據(jù)計(jì)算出被空氣飽和蒸餾水的pH為5.6（實(shí)際計(jì)算值為5.64）。由于人類的活動，空氣中二氧化碳的含量逐年增加，若使用較早時(shí)期（1950年： 310ppm[5]）和近年（2013夏威夷冒納羅亞觀測站）的測定結(jié)果400ppm[6]計(jì)算，pH分別為5.67和5.61，說明近70年來空氣中二氧化碳的含量的變化對酸雨判定的基準(zhǔn)的影響不大。同時(shí)本文的所有計(jì)算過程都忽略了空氣中其他酸性氣體（如氮氧化合物等）對雨水酸度的影響。

（3） 向pH=4的亞硫酸溶液中快速通入10分鐘空氣，溶液的pH下降不明顯，說明空氣中氧氣氧化亞硫酸的速率較慢，我們改用醫(yī)用純氧，同樣快速通入10分鐘后，溶液pH只能下降0.1～0.2左右，放置2小時(shí)后，pH下降約0.4左右并趨于穩(wěn)定。為加快亞硫酸的氧化速率，我們向其中加入2滴30%的雙氧水，溶液的pH立即下降0.4左右，考慮到空白實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，溶液pH實(shí)際下降不到0.3。這一結(jié)果也與理論估算相吻合。估算過程如下： H2SO3H++HSO-3， HSO-3H++SO2-3， Ka1=1.28×10-2， Ka2=7.24×10-8，在不考慮亞硫酸的二級電離的情況下，若pH為4的亞硫酸溶液計(jì)算得亞硫酸的濃度為1.01×10-4mol/L，當(dāng)全部亞硫酸氧化為硫酸后，設(shè)硫酸為二元強(qiáng)酸，即溶液中[H+]約為2.02×10-4mol/L，計(jì)算得溶液的pH為3.69，由4變化到3.69，變化約0.3[估算中忽略了溶解在水中未與水化合的SO2，同時(shí)也沒有考慮硫酸的二級電離是可逆的事實(shí)（HSO-4的電離常數(shù)Ka2=1.02×10-2），兩者相互抵消，減小了估算誤差]。

（4） 關(guān)于將酸雨基準(zhǔn)定為pH=5.6是否合理，學(xué)術(shù)界有一定研究，謝約翰的研究建議將基準(zhǔn)定為3.94～5.41之間[7]。莫天麟等學(xué)者研究建議基準(zhǔn)定為4.7[8]。從各國在不受工業(yè)影響的潔凈地區(qū)測得的結(jié)果來看，將酸雨的判別基準(zhǔn)定為5.6也有待商榷。Winker （1983）參加北極的考察中，在基本不受人為污染影響的北緯80°以北地區(qū)，測得降水平均pH為5.12，最低達(dá)4.75。根據(jù)Galloway等（1982）報(bào)道，全球降水化學(xué)計(jì)劃已在5個(gè)僻遠(yuǎn)地區(qū)收集和監(jiān)測降水，發(fā)現(xiàn)降水是酸的，降水體積加權(quán)平均的pH為4.8～5.0。其原因是自然條件下大氣中其他痕量酸性氣體（痕量氣體是指在大氣中濃度低于1ppm即10-6的氣體。主要痕量氣體的本底值為SO2： 0.2ppb， NH3： 0.1ppb， HCl： 1ppb， HNO3： 50ppt， H2S： 0.2ppb， HNO2： 0.1ppb。1ppb=10-9; 1ppt=10-12）、降水強(qiáng)度、氣溶膠、有機(jī)酸等因素對降水pH都有影響，從理論和實(shí)測兩方面都說明酸雨基準(zhǔn)確定為小于5.6的某個(gè)數(shù)值才相對合理。

4本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義

國際知名教育技術(shù)學(xué)者戴維·喬納森認(rèn)為，技術(shù)不僅僅是硬件，還包括促進(jìn)學(xué)習(xí)的任何一種方法，以及促使學(xué)習(xí)者參與所作的設(shè)計(jì)與環(huán)境[9]。在傳統(tǒng)教學(xué)中，技術(shù)往往被用作是知識傳遞的工具。人們通過與技術(shù)交互，從技術(shù)中接受信息并且嘗試去理解這些信息。技術(shù)作為信息的載體和學(xué)生的導(dǎo)師，學(xué)習(xí)者是“從技術(shù)中學(xué)習(xí)”。這種技術(shù)傳遞教學(xué)信息的觀念已經(jīng)過時(shí)。技術(shù)不應(yīng)該被用作被動的學(xué)習(xí)者運(yùn)輸和傳遞設(shè)計(jì)者信息的工具，而應(yīng)該作為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的工具，讓學(xué)生參與有意義的學(xué)習(xí)，即“用技術(shù)學(xué)習(xí)”。因?yàn)楫?dāng)學(xué)習(xí)者作為被動接受存儲技術(shù)所傳遞的那些需要處理的信息的“容器”時(shí)，他們并沒有進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)，而當(dāng)學(xué)生把技術(shù)作為開發(fā)和分享自己的“食物”的工具時(shí)，他們在進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。讓傳感器技術(shù)融入到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，促使學(xué)生去探究問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證假說和創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的情境，進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們試圖將傳感器技術(shù)運(yùn)用到學(xué)生的知識建構(gòu)中，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，解惑釋疑，讓傳感器成為學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的工具。

參考文獻(xiàn)：

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[2][7]謝約翰.關(guān)于酸雨基準(zhǔn)值的界定研究[J].地理教學(xué)， 2016，（12）： 16～17.

[3][8]莫天麟等.酸雨判別基準(zhǔn)值探討[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 1988，（1）： 32～39.

[4]徐業(yè)林等.室內(nèi)空氣中二氧化碳變化趨勢及現(xiàn)狀調(diào)查[J].安徽預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志， 2010，（8）： 272～280.

[6]大氣中二氧化碳含量創(chuàng)歷史新高.科技日報(bào).2013年5月15日第002版.

[9]賈義敏.學(xué)習(xí)的未來： 學(xué)會解決問題[J].現(xiàn)代教育技術(shù)， 2009，（3）： 5～9.