摘要： 針對教材中構(gòu)建難溶電解質(zhì)沉淀溶解平衡概念實驗的不足，利用pH傳感器和“五口H管”的數(shù)字化創(chuàng)新實驗，通過一個裝置測定水中加Mg（OH）2晶體和繼續(xù)加水后溶液的pH變化，引導(dǎo)學(xué)生認識難溶電解質(zhì)在水中存在少量溶解且電離，并通過兩次溶液pH趨于不變的事實，讓學(xué)生認識難溶電解質(zhì)在水中的平衡狀態(tài)。實驗設(shè)計新穎，操作簡單，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

關(guān)鍵詞： 五口H管； Mg（OH）2； pH傳感器； 沉淀溶解平衡； 實驗設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2024）07-0075-03 中圖分類號： G633.8 文獻標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）》中關(guān)于“沉淀溶解平衡”提出了相關(guān)的教學(xué)策略，即通過對沉淀溶解平衡等存在的證明及平衡移動的分析，形成并發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀。結(jié)合實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導(dǎo)學(xué)生形成認識水溶液中離子反應(yīng)與平衡的基本思路。在組織學(xué)生開展實驗探究活動時，注意實驗前的分析預(yù)測和對實驗現(xiàn)象的觀察分析，對假設(shè)預(yù)測、實驗方案、實驗結(jié)論進行完整論證，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力［1］。

對照不同版本的新教材，關(guān)于沉淀溶解平衡概念的建構(gòu)方法各不相同。人教版中沒有設(shè)置相關(guān)實驗，只是從“AgCl固體溶解度很小”的文字描述中提出了概念。蘇教版是通過實驗探究提出了概念，即將少量PbI2固體加入盛有一定量水的燒杯中，攪拌靜置后，取燒杯上層2mL清液于試管中，滴加AgNO3溶液出現(xiàn)黃色AgI沉淀［2］。魯科版則是通過“觀察思考”提出了概念，即將少量PbI2固體加入3mL蒸餾水中，攪拌靜置后，向其中滴加幾滴0.1mol/L的KI溶液，上層清液出現(xiàn)黃色PbI2沉淀［3］。查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，在2014年使用舊版教材時已有相關(guān)實驗改進的報道，如曾鳳英等利用電導(dǎo)儀傳感器測定不同種難溶電解質(zhì)飽和溶液的電導(dǎo)率［4］；鄭曉紅利用氯離子傳感器測定AgCl相關(guān)實驗中的氯離子濃度變化［5］；近年又有楊玲等利用pH傳感器與電導(dǎo)率傳感器探究碳酸鈣的溶解平衡［6］；顧仲良利用電導(dǎo)率傳感器測定難溶電解質(zhì)PbI2飽和溶液的電導(dǎo)率變化［7］。上述三個版本教材不管是文字描述還是實驗現(xiàn)象都主要是闡述或證明了難溶電解質(zhì)在水中是存在極少量溶解的，并沒有讓學(xué)生構(gòu)建沉淀溶解平衡概念中的“平衡”思想；在文獻報道的某些實驗改進中，對沉淀的選擇以及電導(dǎo)率傳感器的使用居多，導(dǎo)致實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析相對比較復(fù)雜，學(xué)生缺乏更直觀的體會。

2 設(shè)計思路

2.1 難溶電解質(zhì)的選擇

不同版本的新教材中均選擇AgCl、 PbI2兩種難溶電解質(zhì)，主要是因為這兩種晶體在驗證難溶電解質(zhì)在水中存在極少量溶解的實驗中能達到宏觀現(xiàn)象明顯的要求，但在沉淀溶解平衡概念中“平衡”思想的進一步建構(gòu)卻很難繼續(xù)使用，主要是因為高中階段實驗室中很少配備以上難溶電解質(zhì)對應(yīng)離子的傳感器，或此類傳感器及配套軟件的價格相對昂貴。本研究選擇氫氧化物難溶電解質(zhì)作為研究對象，可使用常規(guī)的pH傳感器完成實驗，成本低且使用方便，因此本實驗選用難溶電解質(zhì)Mg（OH）2晶體作為研究對象。Mg（OH）218℃時的溶度積為1.2×10-11。

2.2 進階論證的選擇

先向水中加入Mg（OH）2晶體，檢測溶液的pH變化，發(fā)現(xiàn)溶液的pH先增大后不變，從而讓學(xué)生體會難溶電解質(zhì)在水中是存在極少量溶解的，以及可能存在的動態(tài)平衡現(xiàn)象，但此現(xiàn)象只是完成了沉淀溶解平衡概念的假設(shè)預(yù)測，并沒有形成完整論證。因此繼續(xù)注入蒸餾水再檢測pH變化，發(fā)現(xiàn)pH先減小后增大，最后不變且與第一次實驗時的最大pH相同。通過兩次pH增大且趨于不變讓學(xué)生完整地從問題、假設(shè)、驗證、結(jié)論的進階探究過程中逐步建構(gòu)沉淀溶解平衡概念。

2.3 儀器的選擇

若在同一個試管或燒杯容器中完成向水中加入Mg（OH）2晶體并檢測其pH先增大后不變過程很易實現(xiàn)，但向試管或燒杯中再注入蒸餾水繼續(xù)檢測pH的變化就很難實現(xiàn)：一是因為加少量蒸餾水是很難檢測到pH明顯變小的（水溶液體積增大10倍，pH才能變化1左右），且加入大量蒸餾水則會因受到試管或燒杯容器容積的限制無法完成；二是因為同一個試管或燒杯容器中，未溶解的Mg（OH）2晶體在磁力攪拌器的攪拌下導(dǎo)致分散在整個懸濁液中，易對pH傳感器的pH檢測產(chǎn)生極大影響，pH變化會出現(xiàn)明顯抖動現(xiàn)象。因此可以將未溶解的Mg（OH）2晶體和pH傳感器分設(shè)在兩個相通的容器中進行，并通過抽水機帶動液體循環(huán)，同時利用濾紙阻斷Mg（OH）2晶體的移動。最終，將儀器設(shè)置一個上位出水口，可以無體積限制地注入大量蒸餾水，從而實現(xiàn)pH明顯變小的現(xiàn)象。

3 實驗部分

3.1 儀器與藥品

儀器：有線pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦及投影儀、橡膠管、燒杯、磁力攪拌器、抽水機、夾濾紙的雙層鋼絲網(wǎng)、五口H管

藥品：Mg（OH）2晶體、蒸餾水

夾濾紙的雙層鋼絲網(wǎng)：高5cm、直徑5cm圓形桶狀雙層鋼絲網(wǎng)中間夾濾紙，用于防止難溶電解質(zhì)晶體被抽水機抽出。

五口H管：如圖1所示。由兩高22cm、直徑5cm的大試管中間連接一根10cm的中通玻璃管構(gòu)成，并分別在兩大試管的底部左側(cè)和右側(cè)以及中通連接管的上沿處各開一個直徑1cm的出水口（可定制），其中下方兩個出水口用于連接抽水機，從而實現(xiàn)液體循環(huán)。右上方的出水口用于當(dāng)體系中注入大量蒸餾水時可讓液體流出。

3.2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。

3.3 實驗步驟及現(xiàn)象

（1） 室溫下向“五口H管”左側(cè)大試管中注入蒸餾水至“五口H管”的中通連接管剛剛充滿狀態(tài)。打開磁力攪拌器和抽水機。此時左側(cè)大試管中的pH傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電腦中顯示pH約為7。

（2） 向“五口H管”右側(cè)大試管中加入2g Mg（OH）2晶體至底部。此時左側(cè)大試管中的pH傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電腦中顯示pH不斷增大，一段時間后趨于不變（略大于10）。

（3） 關(guān)閉磁力攪拌器和抽水機，向“五口H管”左側(cè)大試管中勻速加入蒸餾水。此時左側(cè)大試管中的pH傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電腦中顯示pH不斷減小。

（4） 打開磁力攪拌器和抽水機，一段時間后左側(cè)大試管中的pH傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電腦屏顯示pH又增大，且增大后又趨于不變，而趨于不變的pH數(shù)值與第二步實驗的pH幾乎相同。

以上實驗步驟及現(xiàn)象歸納如表1所示。

3.4 實驗現(xiàn)象分析

（1） 當(dāng)Mg（OH）2晶體放入蒸餾水中后pH傳感器的數(shù)據(jù)采集電腦屏顯示的pH由7變大，一段時間后趨于不變（約為10左右）。pH由7變大讓學(xué)生體會到Mg（OH）2晶體在水中因溶解電離產(chǎn)生了OH-導(dǎo)致c（OH-）大于c（H+）從而使pH增大，即Mg（OH）2晶體在水中并不是不溶的，而是存在溶解并電離成離子的現(xiàn)象。一段時間后pH趨于不變（約為10左右），讓學(xué)生體會到Mg（OH）2晶體此溫度下在水中溶解電離不能繼續(xù)增大了，再增大Mg2+可能又要與OH-結(jié)合產(chǎn)生沉淀了，從而讓學(xué)生體會并提出此時可能存在“沉淀溶解動態(tài)平衡”現(xiàn)象的假設(shè)。

（2） 從裝置中加入大量蒸餾水后pH傳感器的數(shù)據(jù)采集電腦屏顯示的pH又減小了，讓學(xué)生體會到加入蒸餾水后溶液中的OH-離子被稀釋，從而c（OH-）又下降了。

（3） 從上一步一段時間后pH傳感器的數(shù)據(jù)采集電腦屏顯示的pH，讓學(xué)生看到pH又增大且增大后又趨于不變（數(shù)值與第二步實驗的pH幾乎相同），讓學(xué)生體會到加入蒸餾水后，Mg（OH）2晶體又繼續(xù)溶解且繼續(xù)電離產(chǎn)生了OH-，導(dǎo)致c（OH-）又增大了，即可能存在的動態(tài)平衡又正向移動了，最終pH又趨于不變，恰好驗證了沉淀溶解平衡的存在，從而完整地建構(gòu)了沉淀溶解平衡概念。

4 實驗優(yōu)點

（1） 實驗操作簡單，僅利用一個裝置既能得出難溶電解質(zhì)不是完全不溶而是有少量溶解且電離的，又能從兩次pH增大趨于不變讓學(xué)生完整地建構(gòu)了沉淀溶解平衡概念，從而發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2） 利用夾濾紙的雙層鋼絲網(wǎng)防止Mg（OH）2晶體移動，以及利用抽水機將五口H管中的溶液進行循環(huán)，只要測定沒有Mg（OH）2晶體的左側(cè)大試管溶液的pH變化即可，避免了Mg（OH）2晶體對數(shù)據(jù)的干擾。

（3） 利用右側(cè)中通連接管上沿處開的出水口，可以增大或減小注入蒸餾水的用量，以便實現(xiàn)注入蒸餾水后使pH明顯變小。

（4） 利用數(shù)字化實驗，能讓學(xué)生方便且直觀地體會到pH的變化，進而上升到對微觀變化的邏輯思考，從而發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

5 幾點說明

（1） 完成該實驗需要足夠的時間，建議先錄制視頻再用快速播放向?qū)W生展示。

（2） 夾濾紙的雙層鋼絲網(wǎng)務(wù)必要與試管壁緊貼，以防止Mg（OH）2晶體移動而分散。

（3） 用傾倒法注入蒸餾水時盡量要勻速，否則pH會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，建議利用定速水泵注入蒸餾水。

（4） 此裝置還可以測定Mg（OH）2懸濁液中加入NaOH固體、MgCl2固體、稀硫酸等物質(zhì)的pH變化，可進一步探究沉淀溶解平衡的移動。

（5） 此裝置還可以更換電導(dǎo)率傳感器以測定水中加入固體及繼續(xù)加蒸餾水后的溶液電導(dǎo)率的變化實驗。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 34～35.

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［3］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學(xué)反應(yīng)原理（選擇性必修1）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2021： 110～111.

［4］曾鳳英， 潘祥泰. 基于數(shù)字化實驗的沉淀溶解平衡實驗的創(chuàng)新設(shè)計［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2014， （8）： 91～93.

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