錢微達

摘 ? ?要： 本文以魯科版《化學反應原理》[1]選修模塊第3章第4節(jié)“離子反應”的第2課時“離子反應的應用”中的物質含量測定——酸堿中和滴定的課堂教學設計為例，充分將數(shù)字化實驗技術與高中學化學教學相結合，為課堂教學提供實時數(shù)據(jù)信息資源，并以圖像形式直觀展示，有效激發(fā)學生的學習積極性，促進其自主建構知識體系。

關鍵詞： 數(shù)字化實驗技術 ? ?離子反應的應用 ? ?pH傳感器 ? ?酸堿中和滴定

利用滴定法對物質含量進行測定，是高中化學教學的重點內容。在滴定法原理教學中，“中和滴定法測定強酸、強堿溶液的濃度”是入門的常用實例。但對酸堿中和滴定終點的判定方法，傳統(tǒng)教學通常僅是介紹利用指示劑的變色指示終點，對于其原因，一般不做解釋和強調。因而學生的理解僅停留在淺層次，多是利用機械記憶進行掌握。本研究應用數(shù)字化實驗技術，探究借助指示劑判斷滴定終點的原因，激發(fā)學生的好奇心，為學生提供動態(tài)、直觀的數(shù)據(jù)圖像信息，再通過教師的引導對實驗數(shù)據(jù)的分析討論進行總結，促使學生自主建構該知識體系。

一、課堂教學設計及評析

“酸堿中和滴定”的教學設計以建構主義理論為指導，基于數(shù)字化實驗技術設計多個實驗探究活動，不斷激發(fā)學生認知矛盾。教師引導以學生為主體，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析討論、逐級生成認知，建構相關知識體系。

1.“中和滴定法測定強酸、強堿溶液濃度”的原理。

教學設計思路：

提出問題：中和反應是酸堿溶液中的H■和OH■按照1∶1的計量比進行的反應。常溫下，強酸強堿恰好中和時，溶液的pH=7。在滴定操作中，為了得知已達到滴定終點進而停止滴定，通常借助酸堿指示劑的變色進行判斷。那么，指示劑變色時，溶液的pH就等于7嗎？

圖1 ? ?中和商定裝置

演示實驗一：

（1）于課前先如圖1安裝好儀器裝置，連接計算機、數(shù)據(jù)采集器及pH傳感器，打開數(shù)據(jù)采集器開關，進入朗威？襅DISLab6.0軟件系統(tǒng)，點擊“通用軟件，系統(tǒng)自動識別接入的傳感器，并顯示pH值”。

（2）對pH傳感器進行預處理。

（3）用移液管移取20ml未知濃度鹽酸至100ml燒杯中，放入攪拌磁子，滴加2～3滴酚酞并將燒杯置于磁力攪拌器上。用蒸餾水洗滌pH傳感器，并用濾紙吸干。將pH傳感器電極玻璃泡完全浸入燒杯中的鹽酸液面下，調整磁力攪拌子位置防止碰撞電極。備用。

（4）課堂上，打開“計算表格”，添加代表NaOH滴定體積的變量“V”，點擊“平鋪窗口”。進行磁力攪拌，待顯示的pH值穩(wěn)定后選擇“手動記錄”，記下初始pH值，同時在相應位置錄入滴定管內液體的初始體積。

（5）用0.0938mol/L的NaOH標準溶液進行滴定。滴定剛開始時，滴加可稍快一點（2～3滴/s），并注意pH值的變化。當pH值明顯變化時，選擇“手動記錄”pH值，同時在表內記下NaOH的滴定體積讀數(shù)。當pH值變化更快時，每滴一滴，充分攪拌，并注意pH值的變化，適時記錄消耗NaOH溶液的體積。

（6）當溶液變成淺紅色時，記錄此時的pH和滴定體積數(shù)據(jù)，再滴加一定量的NaOH溶液，注意滴加時pH值的變化。

實驗數(shù)據(jù)：

圖2 ? ?中和滴定反應終點

圖3 ? ?中和滴定指示劑變色的滴定終點

問題探究：指示劑變色時，溶液的pH就等于7嗎？中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點是否相同？

問題解決：教師組織引導學生通過討論得出相關結論。

用中和滴定法測定強酸、強堿溶液的濃度，反應終點（強酸強堿恰好中和時），溶液的pH等于7。而利用指示劑變色判斷的滴定終點，pH并不等于7。即中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點并不相同。

總結提升：在此情境下，教師引導學生由個體到一般，介紹幾種常見的中和滴定指示劑的變色pH范圍。

評析：通過數(shù)字化實驗技術將中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點pH，直觀地展示在學生面前，讓學生在客觀的事實數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題，出現(xiàn)認知矛盾，自然產生了“中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點并不相同。這對實驗結果有沒有影響？”的疑問，激發(fā)學生探究事物本質的欲望。

2.中和滴定時指示劑的選擇。

教學設計思路：

提出問題：中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點并不相同。這對實驗結果有沒有影響？

演示實驗二：

（1）接著實驗一的操作，點擊“繪圖”，設定x軸為“V”、y軸為“pH”，得到一系列“V-pH”數(shù)據(jù)點。點擊“設置”，取消“只畫離散點”即可得到用標準NaOH溶液滴定未知濃度鹽酸的滴定曲線圖。

（2）右鍵選擇“鼠標顯示坐標值”，沿滴定曲線得到pH=7時的NaOH滴定體積，可算得未知濃度HCl的濃度c■。再沿滴定曲線得到pH=9時的NaOH滴定體積，可算得未知濃度HCl的濃度c■。比較c■和c■。

實驗數(shù)據(jù)：

圖4 ? ?標準NaOH溶液滴定未知濃度鹽酸溶液的V-pH圖像

問題探究：

（1）通過計算比較c■和c■。

（2）中和滴定的反應終點和用指示劑變色判斷的滴定終點不相同對實驗結果有沒有影響？

（3）如何選擇合適的酸堿中和滴定指示劑？

問題解決：教師引導學生進行圖像觀察和數(shù)據(jù)分析，通過討論得出相關結論。

在酸堿中和滴定過程中，反應終點附近的pH變化會發(fā)生突躍，即微量的滴定試劑引入就會引起明顯的pH變化。只要滴定時指示劑的變色范圍落在pH突躍范圍內，則（用指示劑變色判斷的）滴定終點對應的標準液滴定體積與理論反應終點對應的標準液滴定體積差異就很小。并且是在溶液濃度較小的情況下進行的滴定，所以造成的誤差可以忽略。在實際酸堿中和滴定的操作中可以用指示劑的變色判斷達到滴定終點。

總結提升：舉一反三，練習鞏固。判斷強酸弱堿的滴定及強堿弱酸的滴定應選擇的指示劑。同時提醒注意，滴定時使用的溶液濃度不宜太濃，應是稀溶液的滴定。

評析：改變以往學生通過機械記憶，淺層次掌握酸堿中和滴定時合適指示劑選擇的情況。本研究通過數(shù)字化實驗技術實時得出動態(tài)圖像和客觀數(shù)據(jù)，引導學生通過標準氫氧化鈉溶液滴定未知鹽酸溶液過程中pH數(shù)據(jù)的分析，讓學生發(fā)現(xiàn)pH突躍的存在;通過對圖像數(shù)據(jù)的計算分析，得出稀酸堿溶液滴定時，實際滴定終點和理論終點存在的誤差可忽略。在學生理解強酸強堿中和滴定指示劑選擇的原理之后，用強弱酸堿滴定時的指示劑選擇進行拓展練習，促成學生自主逐步構建滴定法原理，不斷突破該難點內容。

3.指示劑的選擇和滴定終點判斷的綜合應用。

教學設計思路：以攻為守，再次引發(fā)認知矛盾，引導學生的思維進一步深入。

演示實驗三：

（1）用移液管移取20ml未知濃度的碳酸鈉溶液至100ml燒杯中，放入攪拌磁子。用蒸餾水洗滌pH傳感器，并用濾紙吸干。將pH傳感器電極玻璃泡完全浸入燒杯中的碳酸鈉液面下，調整磁力攪拌子位置防止碰撞電極。

（2）開啟磁力攪拌器，待系統(tǒng)顯示的pH值穩(wěn)定后點擊“繪圖”，設定x軸、y軸分別為“t”、“pH”，得出一組“t-pH”數(shù)據(jù)點。調節(jié)滴定管滴數(shù)，用標準鹽酸溶液勻速進行滴定。點擊“設置”，取消“只畫離散點”，即得到已知標準鹽酸溶液滴定未知濃度碳酸鈉溶液的滴定曲線。

實驗數(shù)據(jù)：

圖5 ? ?標準鹽酸溶液滴定未知濃度的碳酸鈉溶液的t-pH圖像

問題探究：

（1）標準鹽酸溶液滴定未知濃度的碳酸鈉溶液的t-pH圖像有什么特點？如何解釋？

（2）若有甲基橙和酚酞兩種指示劑，如何選擇使用？怎樣判斷滴定終點？滴定終點時反應物的計量比是多少？

問題解決：在教師引導下，學生通過討論得出相關結論：

該曲線存在兩個突躍。因為將鹽酸逐滴滴加到碳酸鈉溶液中，反應是分步進行的。隨鹽酸用量的增多，首先生成的是碳酸氫鈉，最后才生成水和二氧化碳。兩步反應分別對應兩次突躍。第一次突躍pH在8附近，碳酸氫鈉溶液呈堿性，可選擇酚酞為指示劑，反應物計量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=1∶1;第二次突躍pH在4附近，碳酸溶液呈酸性，可選擇甲基橙為指示劑，反應物計量比n（HCl）∶n（Na■CO■）=2∶1。

總結提升：可以從理論終點選擇合適的指示劑，或由實際選擇的指示劑判斷理論終點發(fā)生時的反應物計量比。

評析：利用鹽酸滴定碳酸鈉溶液的分步反應，動態(tài)呈現(xiàn)出出乎學生意料的有趣的曲線圖像，生動地創(chuàng)設思維情境，激發(fā)學生探究欲望。引導學生綜合應用已有的知識技能，積極思考解決新問題，將學生對酸堿中和滴定的理解掌握引向深入。

二、教學小結

本課堂教學教師充分運用數(shù)字化實驗技術，通過三個探究實驗，不斷創(chuàng)設情境引發(fā)學生的認知矛盾，引導學生通過圖表和數(shù)據(jù)分析，對酸堿中和滴定進行步步深入的理解、掌握和鞏固，分層次有效突破該節(jié)課的教學重難點，充分體現(xiàn)教師為主導、學生為主體的教學方式。教學過程中學生的好奇心和探究欲不斷被激發(fā)，圖像、數(shù)據(jù)分析能力、自主思維、討論合作、表達能力都得到有效訓練。將數(shù)字化實驗技術充分應用于中學化學課堂教學值得不斷嘗試。

參考文獻：

[1]北京師范大學國家基礎教育課程標準實驗教材總編委會組編.普通高中化學課程標準實驗教科書（化學反應原理選修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2011：7.