趙雯

摘要： ??借助離子傳感器和導(dǎo)電率傳感器等數(shù)字儀器對粗鹽提純實驗進行了探索與實踐。實驗過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通過肉眼直接觀察溶液不出現(xiàn)渾濁來判斷離子沉淀完全的方法有局限性;通過對除雜過程中粗鹽溶液導(dǎo)電率變化的測量，能幫助學(xué)生更加直觀、準確地理解與判斷沉淀是否完全、除雜試劑是否過量。此外，實驗還證明了選用Ba（OH）2溶液代替BaCl2和NaOH溶液同時除去粗鹽中的Mg2+和SO2-4并不合理，解決了學(xué)生對此問題的存疑。

關(guān)鍵詞： ?粗鹽提純; 實驗探究; 教育裝備與教學(xué)融合

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0077 04

中圖分類號： ?G633.8

文獻標識碼： ?B

隨著新課程、新教材（“雙新”）的推進，越來越多的數(shù)字化實驗儀器開始走進中學(xué)化學(xué)課堂。如何借助數(shù)字化實驗儀器解決教與學(xué)中遇到的問題，更好地服務(wù)于化學(xué)實驗教學(xué)的開展？如何有效促進現(xiàn)代教育裝備與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的有機融合，改變教與學(xué)的方式，創(chuàng)新和改進化學(xué)實驗教學(xué)？本文以粗鹽提純實驗的再探究為例，對現(xiàn)代教育裝備與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的創(chuàng)新融合進行初步探索，以期為中學(xué)化學(xué)教師和教育裝備工作者提供參考。

1 問題的提出

用化學(xué)沉淀法去除粗鹽中的可溶性雜質(zhì)離子是高中化學(xué)“常見的無機物及其應(yīng)用”主題下的一個重要實驗，也是《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》中規(guī)定的必修課程學(xué)生必做實驗之一[1]。該實驗不僅能培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建利用離子反應(yīng)除去雜質(zhì)的一般思路和方法，也能夠讓學(xué)生認識到化學(xué)方法在物質(zhì)分離和提純中的重要作用。蘇教版[2]、滬教版[3]和魯科版[4]化學(xué)新教材對粗鹽提純實驗雖編排位置有所不同， 但都一致采用了留白的設(shè)計來安排探究活動，對于除雜試劑的選擇、用量、添加順序和如何檢驗雜質(zhì)是否已經(jīng)除盡等內(nèi)容均是以問題的形式留給學(xué)生思考。人教版教材[5]則同樣以問題驅(qū)動的形式要求學(xué)生思考和討論試劑添加順序和略微過量的原因，并提供了詳細的實驗方案，在實驗步驟中明確給出了除雜試劑的添加順序和用量以及判斷可溶性雜質(zhì)離子沉淀完全的方法——向靜置后的上層清液中繼續(xù)滴加某種除雜試劑，若不出現(xiàn)渾濁，則認為粗鹽中該可溶性雜質(zhì)離子已沉淀完全。在實際操作中，學(xué)生確實是通過肉眼觀察溶液中是否不再出現(xiàn)渾濁來判斷沉淀完全與否。但是通過肉眼判斷的結(jié)果是否準確？又會存在怎樣的誤差？此外，常有學(xué)生提出選用 Ba（OH）2溶液代替BaCl2 和NaOH溶液同時除去粗鹽中的可溶性雜質(zhì)Mg2+和SO2-4，這樣的試劑選擇又是否合理？能否通過直觀的實驗數(shù)據(jù)與圖像來支撐說明？帶著這些問題，筆者查閱了粗鹽提純實驗的相關(guān)文獻， 未見有通過實驗得出具體數(shù)據(jù)以探究上述問題的研究報道?；诖?，筆者借助鈣離子傳感器、導(dǎo)電率傳感器和滴數(shù)傳感器等儀器，對中學(xué)粗鹽提純的教學(xué)實驗進行了再探究。

2 實驗設(shè)計與探究

2.1 實驗儀器

實驗采用Vernier GD系列無線鈣離子傳感器（量程1～40000mg/L）、無線導(dǎo)電率傳感器（量程0～20000μS/cm）對溶液中鈣離子濃度、溶液導(dǎo)電率進行測定， 并結(jié)合Vernier無線滴數(shù)傳感器和恒溫磁力攪拌站使用。實驗中將無線鈣離子傳感器、無線導(dǎo)電率傳感器通過無線滴數(shù)傳感器上的孔徑固定放置，從而盡可能避免因手持而造成測量數(shù)據(jù)的誤差。 另外，考慮到傳感器工作時測量點對溶液液面高度有一定的要求，實驗中采用定制的100mL玻璃高型燒杯（全高 84mm，身外徑47mm）、50mL玻璃高型燒杯（全高70.5mm，身外徑36.5mm）。

2.2 實驗探究及結(jié)果

2.2.1 學(xué)生肉眼觀測到沉淀完全時Ca2+濃度的測定

學(xué)生參照人教版教材實驗活動的步驟[6]進行了粗鹽提純實驗探究活動。稱取5g粗鹽，放入50mL定制的玻璃高型燒杯中，加入20mL蒸餾水，放在恒溫磁力攪拌器上攪拌，使粗鹽全部溶解，得到粗鹽水。然后依次進行如下操作： （1）向粗鹽水中滴加少量0.1mol/L BaCl2溶液，靜置后繼續(xù)滴加直至肉眼觀察到不再產(chǎn)生沉淀;（2）滴加少量20% NaOH溶液，靜置后繼續(xù)滴加直至肉眼觀察到不再產(chǎn)生沉淀;（3）滴加少量飽和Na2CO3溶液，靜置后繼續(xù)滴加直至肉眼觀察到不再產(chǎn)生沉淀;（4）靜置后過濾，借助無線鈣離子傳感器測量濾液中Ca2+濃度。

按照上述操作，多組學(xué)生在室溫10℃下測得沉淀完全時濾液中Ca2+濃度的數(shù)據(jù)卻不盡相同（見表1），測得數(shù)值最低的一組其鈣離子濃度僅為6.78mg·L-1，而測得數(shù)值最高的一組其鈣離子濃度為100.52mg·L-1， 數(shù)值存在顯著差異?？紤]到碳酸鈣在10℃下的溶度積以及鹽效應(yīng)因素的影響，溶液中的鈣離子確實難以完全除盡，但各組學(xué)生測得的數(shù)據(jù)為何會存在如此大的差異？通過肉眼觀察真的能夠直接判斷鈣離子沉淀是否完全嗎？筆者在學(xué)生實驗的基礎(chǔ)上又進行了如下實驗探究。

2.2.2 不同濃度Ca2+濾液反滴驗證沉淀是否完全的探究

利用學(xué)生實驗所得的濾液進行反滴驗證，來進一步確定肉眼觀察到沉淀完全時濾液中Ca2+的濃度。筆者取表1九組學(xué)生中測得數(shù)值居中的一組學(xué)生（鈣離子濃度為16.03mg·L-1）實驗所得的濾液2滴，滴入飽和Na2CO3溶液中，靜置5分鐘后，確實未觀察到產(chǎn)生明顯沉淀。那么這真的是肉眼可觀測到沉淀的極限嗎？

為了更清晰地觀察是否產(chǎn)生沉淀，筆者繼續(xù)取測得鈣離子濃度數(shù)值為16.03mg·L-1一組同學(xué)實驗所得的濾液2滴，滴入預(yù)先滴有2滴飽和Na2CO3溶液的黑色啞光板上，靜置5分鐘后，在白光手電筒進行補光的條件下再次觀察是否產(chǎn)生沉淀。同時為保證實驗準確度，避免偶然性，筆者在室溫10℃下進行了三次平行實驗。靜置5分鐘后，在白光手電筒進行補光以及黑色啞光板條件下均可以通過肉眼觀察到有極少量沉淀生成。那么在此條件下肉眼觀察到無沉淀產(chǎn)生時，濾液中的鈣離子濃度最高會是多少？

在上述實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，配合無線鈣離子傳感器，筆者取少量鈣離子濃度為16.03mg·L-1的濾液，向濾液中逐滴加入蒸餾水，將濾液分別稀釋成鈣離子濃度間隔約1mg·L-1不同濃度溶液，并各取2滴滴入預(yù)先滴有飽和Na2CO3溶液的黑色亞光板上，靜置5分鐘后，在白光手電筒進行補光的條件下通過肉眼觀察是否產(chǎn)生沉淀，實驗結(jié)果如表2所示。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靜置后在白光手電筒進行補光以及黑色啞光板條件下肉眼觀察到無沉淀產(chǎn)生時，溶液中Ca2+濃度可能介于14mg·L-1和15mg·L-1左右，數(shù)值甚至高于表1中部分組學(xué)生實驗后濾液中測得的Ca2+濃度數(shù)值，可見即使肉眼觀察到無沉淀產(chǎn)生，也并不意味溶液中Ca2+已真正沉淀完全。學(xué)生通過肉眼直接觀察溶液不出現(xiàn)渾濁來判斷離子沉淀完全并不一定準確。當(dāng)然，平時學(xué)生實驗時一般很少 會采用白光手電筒進行補光以及黑色啞光板進行輔助觀察沉淀，所以學(xué)生實驗中觀察到沉淀完全時所測得濾液中Ca2+濃度數(shù)值的差異更是在所難免。主要影響因素除了個體視覺感受不同，還可能受實驗時光線強弱、溫度、鹽效應(yīng)等因素的影 響。

2.2.3 除雜過程中溶液導(dǎo)電率的測定

如何幫助學(xué)生在實驗中更好地判斷沉淀完全，更加直觀、準確地呈現(xiàn)除雜試劑是否過量？針對此問題，筆者借助導(dǎo)電率傳感器進行了如下嘗試。

在粗鹽提純實驗的除雜過程中，隨著除雜試劑的加入，溶液中離子的濃度會出現(xiàn)變化， 通過測量除雜過程中溶液的導(dǎo)電率變化，在一定程度上能反映出溶液中離子濃度的變化。為了更清晰地呈現(xiàn)溶液導(dǎo)電率變化趨勢，并結(jié)合導(dǎo)電率傳感器的量程限制，先將前述實驗中學(xué)生配制的粗鹽水稀釋80倍，測得導(dǎo)電率為 4420μS/cm。然后結(jié)合導(dǎo)電率傳感器將BaCl2溶液、NaOH溶液和Na2CO3溶液導(dǎo)電率均調(diào)至約4420μS/cm。實驗時將滴數(shù)傳感器固定于磁力攪拌器上，導(dǎo)電率傳感器放置于滴數(shù)傳感器的孔徑中。打開恒溫磁力攪拌器，先通過無線滴數(shù)傳感器向粗鹽水中逐滴加入BaCl2溶液，Ba2+與SO2-4反應(yīng)生成沉淀，溶液導(dǎo)電率下降（見圖1）。當(dāng)BaCl2過量時，溶液導(dǎo)電率開始上升，圖中出現(xiàn)拐點，過程中溶液導(dǎo)電率呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，而圖中出現(xiàn)的從下降到上升的拐點即表示恰好完全反應(yīng)。 隨后依次向粗鹽水中逐滴加入NaOH溶液、Na2CO3溶液，均可明顯觀察到溶液導(dǎo)電率也呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，而當(dāng)圖中出現(xiàn)從下降到上升的拐點即表示該除雜試劑恰好完全反應(yīng)。借助于溶液的導(dǎo)電率變化，學(xué)生能更加直觀、 準確地判斷除雜試劑是否過量，這既能培養(yǎng)學(xué)生定性與定量相結(jié)合的思維，又能培養(yǎng)其“微觀探析”“證據(jù)推理”“科學(xué)探究”等素養(yǎng)。

此外，考慮到碳酸鈣的溶度積和鹽效應(yīng)等影響因素，粗鹽水中的Ca2+確實很難通過CO2-3完全除盡（大學(xué)化學(xué)教材[7]中對溶液中某種離子已沉淀完全界定為在溶液中的離子濃度應(yīng)≤1.00×10-5mol·L-1，即Ca2+ 沉淀完全的理論值為0.4mg·L-1），那是否還有其他辦法可以盡可能除盡粗鹽水中的Ca2+呢？在教學(xué)過程中，可以拓展介紹當(dāng)前工業(yè)制鹽過程中采用的磷酸結(jié)合碳酸鈉除雜法[8]。根據(jù)相同溫度下磷酸鈣的溶度積遠小于碳酸鈣，易生成沉淀，嘗試使用磷酸結(jié)合碳酸鈉去除粗鹽水中的Ca2+。當(dāng)然，除了Ca2+，由于磷酸鎂、磷酸鋇的溶度積也遠小于氫氧化鎂、碳酸鋇，PO3-4也能較好地除去粗鹽水中的Mg2+和因除雜而引入的Ba2+。

2.2.4 Ba（OH）2溶液能否同時除去粗鹽中Mg2+和SO2-4的實驗探究

能否用Ba（OH）2溶液代替BaCl2和NaOH溶液同時除去粗鹽中的Mg2+和SO2-4，這是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常有的一個疑問。教學(xué)中教師一般會從理論計算的角度加以解釋，并告訴學(xué)生粗鹽中Mg2+的量一般高于SO2-4的量，使用Ba（OH）2溶液雖然能同時除去這兩種離子，但是會出現(xiàn)除雜試劑使用過量等問題。那能否通過實驗得出具體數(shù)據(jù)來加以佐證。筆者再次借助導(dǎo)電率傳感器，測定了Ba（OH）2溶液代替BaCl2、 NaOH溶液加入粗鹽水中溶液導(dǎo)電率的變化情況。

先將滴數(shù)傳感器固定于磁力攪拌器上，導(dǎo)電率傳感器放置于滴數(shù)傳感器的孔徑中。為了更清晰地呈現(xiàn)溶液導(dǎo)電率的變化趨勢，并結(jié)合導(dǎo)電率傳感器的量程限制，使用前述實驗中已稀釋80倍的粗鹽水（導(dǎo)電率為 4420μS/cm），然后結(jié)合導(dǎo)電率傳感器將Ba（OH）2 溶液導(dǎo)電率也調(diào)至約4420μS/cm。打開恒溫磁力攪拌站，通過無線滴數(shù)傳感器向粗鹽水中逐滴滴加 Ba（OH）2溶液，Ba2+和SO2-4、OH-和Mg2+反應(yīng)生成沉淀，溶液導(dǎo)電率逐漸下降（見圖2）。當(dāng)加入Ba（OH）2溶液體積約1.5mL時，導(dǎo)電率出現(xiàn)拐點，下降幅度趨于平緩，說明此時溶液中SO2-4已沉淀完全，Ba2+過量，但仍有Mg2+在繼續(xù)和OH-反應(yīng)。當(dāng)Ba（OH）2溶液加至約2.4mL時，導(dǎo)電率再次出現(xiàn)拐點，開始逐漸上升，說明此時Mg2+已沉淀完全，溶液中Ba2+和OH-均已過量。直觀的實驗圖像很好地說明了粗鹽中Mg2+和SO2-4的物質(zhì)的量并非1∶1的關(guān)系，故不宜選用Ba（OH）2同時除去粗鹽中的Mg2+和SO2-4。該實驗也可作為學(xué)生的實驗探究活動應(yīng)用于教學(xué)中，增強學(xué)生的“證據(jù)推理”“微觀探析”等素養(yǎng)。

3 實驗結(jié)論與思考

本研究借助數(shù)字化實驗儀器，對粗鹽提純實驗進行了再探究，得出了以下結(jié)論：

（1） 在室溫10℃、白光手電筒補光以及黑色啞光板條件下肉眼觀察到無沉淀產(chǎn)生時，通過對溶液中Ca2+濃度的測量，發(fā)現(xiàn)溶液中還存在低濃度的Ca2+，得出了學(xué)生通過肉眼直接觀察溶液中是否出現(xiàn)渾濁來判斷離子沉淀完全與否的方法并不一定準確。

（2） 借助對除雜過程中粗鹽溶液導(dǎo)電率變化的測量，能幫助學(xué)生更加直觀、準確地判斷沉淀是否完全、除雜試劑是否過量。此外，通過溶液導(dǎo)電率變化的實驗數(shù)據(jù)與圖像還能更直觀地證明選用Ba（OH）2溶液代替BaCl2和NaOH溶液同時除去粗鹽中的可溶性雜質(zhì)Mg2+和SO2-4并不合理，有效地解決了學(xué)生對此問題的存疑，也有益于學(xué)生“微觀探析”“證據(jù)推理”“科學(xué)探究”等素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

本研究除了充分挖掘粗鹽提純實驗所蘊含的學(xué)科思維和素養(yǎng)價值外，也對現(xiàn)代教育裝備與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的融合進行了探索與實踐。筆者期望有更多的中學(xué)化學(xué)教師和學(xué)生能借助現(xiàn)代教育裝備解決實際教與學(xué)中遇到的真實問題，積極改變教與學(xué)的方式，讓化學(xué)實驗不流于形式。同時希望有更多的教育裝備工作者能積極探索與研究現(xiàn)代教育裝備與中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)融合的創(chuàng)新模式，讓教育裝備能更好地服務(wù)于中學(xué)化學(xué)教學(xué)的開展。

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