数字化实验与传统实验用数字化实验探讨某些并存复分解反应的实验策略

时间:2020-12-19 来源:论文荟萃 点击:

【数字化实验与传统实验】用数字化实验探讨某些并存复分解反应的实验策略

  在近几年的中考化学试卷中,类似下题的考查往往给初三化学带来了新的教学盲点。例如(2013年山东日照14题)向烧杯中逐滴加入x溶液至过量(图甲),生成沉淀或气体的质量与加入x溶液的质量关系符合图乙的是( )。

  显然答案A选项的考查点是复分解反应的发生有先后顺序:稀硫酸和氢氧化钠反应在先,所以开始沉淀不出现,待此中和反应结束后,硫酸铜再和氢氧化钠反应产生氢氧化铜沉淀。但是在教学实践中我们发现由于试管实验现象不清晰(何时沉淀?沉淀量何时达到最大?),所以不能很肯定地得出结论:到底有没有明显的先后反应呢?这种“解题思路”若不讲学生中考可能失分,若讲心里又没底,只好含糊地用所谓的“教学经验”告诫学生:“在两个并存的复分解反应体系中,中和优先。”这样的机械化教学显然有悖于2011版新课标“充分发挥实验的教育功能”的理念,不利于培养学生的质疑精神。能不能用更好的实验加以验证?这样的“经验”能不能得到理论解释呢?我们想到体系中的 pH 是一个很好的参照对象,它容易被测,数值稳定、重现性好,而且不受产生沉淀或气体的干扰。为此设计了运用基于pH传感技术的数字化实验,获得了在稀硫酸和硫酸铜混合溶液中滴加氢氧化钠时pH的变化曲线(同上题选项A的情景)。

  1 实验试剂及仪器

  0.1 mol/L的NaOH溶液、0.1 mol/L的CuSO4溶液、0.1 mol/L的稀硫酸、0.1 mol/L的CuSO4和硫酸混合溶液。

  爱迪生公司的pH传感器、数据采集器、安装Edislab软件的电脑及铁架台、聚四氟乙烯滴定管、烧杯、磁力搅拌器。

  2 实验过程

  (1)在500 mL的烧杯中盛放20 mL的稀硫酸,加水稀释至约150 mL。将烧杯放在磁力搅拌器上,调整铁架台位置。

  (2)在滴定管中装入足量的NaOH溶液,固定在铁架台上,连接好pH传感器、数据采集器和电脑,将传感器放入烧杯中,启动软件。

  (3) 打开磁力搅拌器,滴加NaOH溶液,若滴定管中溶液不足,可继续添加。

  (4)将稀硫酸换成CuSO4溶液以及CuSO4和硫酸混合溶液。重复上述操作得到曲线如图1、2、3所示。

  3 讨论及计算

  (1)从图1可以看出pH在2到3之间开始发生突变,从图2可以看出pH在6到7之间开始发生突变,将图3与图1和图2对比可以清楚印证,混合体系中的pH在2到3和6到7之间开始两次突变。所以,不难理解,氢氧化钠先与硫酸反应,反应完全后,溶液呈弱酸性(这是由于硫酸铜溶液本身显弱酸性的缘故),然后氢氧化钠再与硫酸铜反应形成沉淀,反应完全后继续滴加,溶液呈强碱性(由于强酸强碱本身具有缓冲性质,所以开始和过量时体系的pH变化缓慢,基本上处于一个平台上)。

  2

  c(OH-)2=7.20×10-10 mol/L

  对比两组数据,可以很明显地看出,在稀硫酸和硫酸铜溶液中,前者能够共存的氢氧根离子浓度远远小于后者,所以,在稀硫酸与硫酸铜混合体系中滴加氢氧化钠时,稀硫酸确实先与氢氧化钠发生中和反应。

  4 其他混合体系发生复分解反应时pH的变化和讨论

  用同样的方法,我们获取了在稀盐酸和氯化钙混合溶液中滴加碳酸钠溶液、在氢氧化钠和碳酸钠的混合溶液中滴加稀盐酸时的pH变化,见图4、图5。结合得出的平衡常数(方法同上,不列出计算过程),讨论如下:

  对照图4可以看出,一开始体系中的pH就发生向上的突跃,从约1.9到约7.5。这个阶段发生的反应主要是(Ⅰ);第二个阶段是在7~8之间的平台,对应的反应主要是(Ⅱ),由于生成物都是中性的盐,所以pH基本不变;第三个阶段是pH从8到10的上升期,这是过量的碳酸钠呈碱性的缘故;第四个阶段就是碱性较强的缓冲平台。由此也可以认为在这个体系中,碳酸钠与盐酸的反应优先。

  (2)在图5所示的混合体系中,主要发生的是以下三个反应:

  对照图5可以看出,一开始就有一个向下的pH突变,从约13.2降到约11,发生的反应主要是(Ⅲ);第二个阶段是pH从约11到约9的下降期,发生的反应主要是(Ⅳ),但是体系中共存Na2CO3与NaHCO3而有缓冲效果,pH的变化比较缓慢;第三个阶段是pH从约9到约5.7的下降期,此时主要发生的是(Ⅴ),但是有CO2溶解在水中,所以还有NaHCO3-H2CO3的缓冲效应,体系的pH出现了从约6.8到约5.7的第二个缓降过程;第四个阶段就是盐酸的过量而引起的pH快速下降(溶解的CO2大量逃逸)以及第五个阶段强酸性的缓冲平台。由此可以认为在这个体系中:盐酸和氢氧化钠的反应优先(即中和优先)。

  5 结论

  某些中考题中考查复分解反应先后顺序的考点,由于缺乏有效的实验佐证,缺少从热力学层面上的讨论,已经沦为初中化学教学的盲点。我们利用基于pH传感技术的数字化实验,获取了某些混合反应体系的pH变化曲线。有了这些实验数据和图形,结合反应平衡常数和共存离子浓度的计算讨论,可以使教学获得多方位的支撑:教师可以有理有据地传授知识,学生可以借助图形分析,启迪思维,提升能力;可以让教学从“感性”走向“理性”,让学习从“盲从”变为“明理”。

  参考文献:

  [1][2]傅献彩等.物理化学(第五版,上册)[M].北京:高等教育出版社,2005:附录表17~18.

  来源:教育第三方

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