【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
本文来源：https://www.oubohk.cn/huaxue/332736/
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