数字化实验验证化学反应过程

发布时间：2022-10-05 10:02 热度：

　　传统实验方法无法直接确定二氧化碳与偏铝酸钠溶液反应的过程。将二氧化碳通入不同浓度的偏铝酸钠溶液中，运用电导率传感器监测其中电导率的变化情况，可直观地揭示反应过程中先生成碳酸钠，再生成碳酸氢钠的实验结论，进一步使用pH传感器可完成验证实验。通过该实验探究可验证二氧化碳和偏铝酸钠溶液的反应过程，突破学生的认知障碍，实现对该问题的深度学习。

　　关键词：数字化实验;二氧化碳;偏铝酸钠;电导率传感器;pH传感器;反应过程

　　现代化学的发展在很大程度上得益于实验技术的发展与支持。数字化实验可利用传感器采集数据，借助计算机将化学现象转化为可监测的数字信号，进而更便捷地收集和处理实验数据。数字化实验具有便携性、实时性、准确性和直观性的特点[1]。高中生具有较强的好奇心与探究意识，在传统的实验中，由于条件的限制，学生的“求证”往往不能得到满足，数字化实验为学生创设了新的学习环境，提供了“求证”的条件。

　　1问题的提出

　　铝及其化合物是元素化学的重点难点、高频考点。在涉及偏铝酸钠与二氧化碳的反应时，学生会疑惑生成物除了氢氧化铝以外，另一种物质是碳酸钠还是碳酸氢钠，两种物质的生成是否有先后顺序。传统的教学方式直接给出方程式并不能真正解决学生的困惑。为了更好地揭示反应本质，减轻学生的记忆负担，可利用“数字化”实验验证反应过程。

　　2实验用品和装置

　　2.1实验仪器

　　威尼尔电导率传感器CON-BTA、威尼尔pH传感器pH-BTA、威尼尔数据采集器、计算机、锥形瓶、分液漏斗、烧杯、导气管、双孔塞、量筒等。

　　2.2实验试剂

　　0.05mol/L的NaAlO2溶液，0.10mol/L的NaAlO2溶液，0.20mol/L的NaAlO2溶液，CaCO3固体，2mol/L稀盐酸。

　　2.3实验装置

　　实验装置如图1所示。

　　3实验设计

　　目前较少研究关注将CO2通入NaAlO2溶液后产物的变化情况。为得到便于分析的曲线，需进行相关浓度的探究。基于许雯辉等[2]关于“NaAlO2溶液滴定HCl溶液”系列实验中NaAlO2溶液浓度的选择，实验采用NaAlO2粉末配制0.05mol/L，0.10mol/L，0.20mol/L的NaAlO2溶液以供探究。在实验中，使用电导率传感器监测溶液中离子浓度的变化情况，借助pH传感器进一步验证Na2CO3和NaHCO3生成的先后顺序，使不可见的化学现象“看得见”。具体实验方案如表1所示。

　　4实验步骤

　　4.1实验组1的操作步骤

　　(1)组装实验室制取二氧化碳的装置，并检查装置的气密性。(2)进行实验1。配制0.05mol/L的NaAlO2溶液，2mol/L的盐酸溶液。(3)向分液漏斗中加入2mol/L的盐酸溶液，向锥形瓶中加入足量的CaCO3固体，往250mL烧杯中加入150mL0.05mol/L的NaAlO2溶液。打开分液漏斗的活塞，将盐酸的滴加速度控制至适中。将制备的CO2气体通入NaAlO2溶液中。(4)开启数据采集器，设置采集器的采样频率为每秒1次，运行软件。(5)观察实验现象并记录。(6)进行实验2。配制0.10mol/L的NaAlO2溶液，2mol/L的盐酸溶液。重复步骤(3)～(5)。(7)进行实验3。配制0.20mol/L的NaAlO2溶液，2mol/L的盐酸溶液。重复步骤(3)～(5)。

　　4.2实验组2的操作步骤

　　(1)组装实验室制取二氧化碳的装置，并检查装置的气密性。(2)校正pH传感器(电导率传感器无需校正)。(3)根据实验组1的数据，选取变化趋势最明显的0.05mol/L的NaAlO2溶液作为样本，观测在CO2通入NaAlO2溶液的过程中pH的变化。(4)进行实验4。配制0.05mol/L的NaAlO2溶液，2mol/L的盐酸溶液。(5)向分液漏斗中加入2mol/L的盐酸溶液，向锥形瓶中加入足量的CaCO3固体，往250mL烧杯中加入150mL0.05mol/L的NaAlO2溶液。打开分液漏斗的活塞，将盐酸的滴加速度控制至适中。将制备的CO2气体通入NaAlO2溶液中。(6)开启数据采集器，设置采集器的采样频率为每秒1次，运行软件。(7)观察实验现象并记录。

　　5实验分析

　　5.1电导率曲线变化分析

　　图2～图4为向不同浓度的NaAlO2溶液(0.05mol/L，0.10mol/L，0.20mol/L)中通入CO2气体的电导率变化曲线。由曲线整体趋势可知，反应过程中的电导率先下降后逐步上升。以实验1(图2)为例，ab段溶液电导率下降，说明离子浓度降低。溶液中发生2NaAlO2+CO2+3H2O=2Al(OH)3↓+Na2CO3反应，反应产物为Na2CO3和Al(OH)3的混合物。bc段溶液电导率逐步上升，说明离子浓度增大。溶液中继续发生Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3的反应，反应产物为NaHCO3和Al(OH)3的混合物。电导率曲线和溶液中离子浓度的变化情况，可以说明反应先生成Na2CO3，再生成NaHCO3。

　　5.2pH曲线变化分析

　　分析电导率变化曲线趋势后，选取0.05mol/L的NaAlO2溶液为样本，进一步观察将CO2气体通入NaAlO2溶液的过程中，溶液pH的变化。pH变化曲线如图5所示，由图可知，在反应过程中，溶液的pH一直下降。根据水解原理，溶液的碱性为“NaAlO2>Na2CO3>NaHCO3”，再次验证了在通入CO2的过程中先生成Na2CO3，再生成NaHCO3。

　　6结语

　　在传统实验中，将二氧化碳通入偏铝酸钠溶液中，只能观察到白色氢氧化铝沉淀的产生，无法确定另一种生成物的成分。通过数字化实验可以有效地探究反应的过程，通过溶液电导率的变化，直观地反映溶液中离子浓度的改变，说明反应过程中，先生成碳酸钠再生成碳酸氢钠，基于溶液pH的改变，可进一步验证实验结论。与传统教学中仅从宏观现象出发，靠学生机械记忆不同，通过对pH、电导率变化曲线拐点意义的分析，可尝试从微观本质理解方程式，多角度、更完整地呈现知识。

　　参考文献

　　[1]陈琛，姚如富，邵忠德，等.数字化手持技术实验在高中化学课堂教学中的应用研究[J].化学教育，2015(1):29～33.

　　[2]许雯辉，钱扬义，王立新，等.利用手持技术探究铝的化合物之间的相互转化过程[J].化学教育(中英文)，2018(21):54～62.

　　作者：樊艺蕾