趙國(guó)斌

（炳輝中學(xué)安徽天長(zhǎng)239300）

基于DISLab定量探究濃度對(duì)水解平衡的影響
——以一定物質(zhì)的量濃度明礬溶液水解平衡為例

趙國(guó)斌

（炳輝中學(xué)安徽天長(zhǎng)239300）

通過DISLab定量探究加水稀釋降低鹽溶液濃度或滴加高濃度鹽溶液增加鹽溶液濃度，兩種情況下鹽類水解率增大還是減小問題，來判斷鹽類水解平衡移動(dòng)方向。文章旨在通過定量實(shí)證的“可視性”來突破課堂教學(xué)的重難點(diǎn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)；定量探究；水解平衡；水解率

在鹽類水解平衡教學(xué)過程中，加水稀釋降低鹽溶液濃度或滴加高濃度鹽溶液增加鹽溶液濃度，兩種情況下的水解平衡是正向移動(dòng)還是逆向移動(dòng)？鹽的水解率是增大還是減小？對(duì)該問題的澄清既是教學(xué)的難點(diǎn)又是重點(diǎn)。用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)分析或口授講解教學(xué)方式，沒有定量實(shí)驗(yàn)的“可視性”，學(xué)生很難完全信服。使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以解決這一重難點(diǎn)，學(xué)生從定量實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)宏觀、微觀、符號(hào)、圖像在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理中的積極作用。

一、實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

1.儀器：采用朗威?數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室DISLab配備（pH傳感器1個(gè)，數(shù)據(jù)采集器1臺(tái)），裝有DISLab實(shí)驗(yàn)軟件8.0版的筆記本電腦1臺(tái)，朗威?DISLab 250mL稀釋池1只（實(shí)用新型專利：201320572799.2，圖2），生化傳感器支架1套，磁力攪拌器1臺(tái)（附磁轉(zhuǎn)子1個(gè)），10mL刻度吸管1根，200mL燒杯1只，1mL刻度吸管1根、洗耳球1個(gè)、100mL量筒1只等。

2.試劑：0.01mol/L KAl（SO4）2溶液，0.1mol/L KAl（SO4）2溶液，蒸餾水。

圖1 注入式添加試劑實(shí)驗(yàn)裝置

圖2250 mL稀釋池

二、實(shí)驗(yàn)原理

以一定濃度明礬溶液為例，存在水解平衡：Al3++ 3H2O■■■■Al（OH）3+3H+

1.在V1mL 0.01mol/L KAl（SO4）2溶液中滴加V2mL蒸餾水，Al3+水解率H%公式表達(dá)式推導(dǎo)如下：

2.在V1mL0.01mol/L KAl（SO4）2溶液中滴入V2mL 0.1mol/L KAl（SO4）2溶液，Al3+水解率H%公式表達(dá)式推導(dǎo)如下：

通過朗威?DISLab實(shí)驗(yàn)通用軟件中的計(jì)算表格功能計(jì)算KAl（SO4）2溶液水解率H%，計(jì)算機(jī)［繪圖］得到VmL溶液（V近似為V1與V2之和）滴加過程中鹽類水解率H%變化曲線（H%-V），從圖像上可“直觀地看出”試劑滴加過程中，鹽類水解率是增大還是減小，以此確定水解平衡移動(dòng)方向。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

1.【實(shí)驗(yàn)一】探究明礬溶液稀釋過程中Al3+水解率變化情況

（1）實(shí)驗(yàn)步驟

如圖1組建好實(shí)驗(yàn)裝置。在數(shù)據(jù)采集器第二通道連接pH傳感器（軟件顯示數(shù)據(jù)為pH2）。

在250mL稀釋池中放入磁轉(zhuǎn)子并加入40mL 0.01mol/L KAl（SO4）2溶液，將稀釋池放置在磁力攪拌器上，在KAl（SO4）2溶液中插入pH傳感器電極并保持電極玻璃泡位于液面以下。

打開DISLab實(shí)驗(yàn)通用軟件。在［計(jì)算表格］窗口設(shè)置變量V1為0.01mol/L KAl（SO4）2溶液體積，數(shù)值為40mL；設(shè)置變量V2為加入蒸餾水體積；設(shè)置自定義公式V為加入蒸餾水后KAl（SO4）2溶液體積，公式表達(dá)式輸入V1+V2；設(shè)置自定義公式代碼為H%，公式表達(dá)式輸入：（3*10^（-pH2））/（0.01*V1/（V1+V2））。

打開磁力攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，選用10mL刻度吸管取10mL蒸餾水注入稀釋池中，待pH數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，手動(dòng)點(diǎn)擊記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并輸入V2數(shù)值（10mL），再次注入10mL蒸餾水，重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，系統(tǒng)自動(dòng)采集pH數(shù)據(jù)（圖3）并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行［繪圖］，可得pH隨溶液體積V變化曲線（pH-V，圖4）和Al3+水解率H%隨溶液體積V變化曲線（H%-V，圖5）。

圖3 明礬溶液稀釋過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 溶液pH值隨明礬溶液總體積V變化

圖5 Al3+水解率H%隨明礬溶液總體積V變化

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖及結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖可看出：加水稀釋來降低明礬溶液濃度過程中，明礬溶液pH和水解率數(shù)值都增大。

結(jié)論：向明礬溶液中加水降低溶液濃度，Al3+的水解程度增大，說明明礬溶液水解平衡向正方向移動(dòng)。

分析：一定濃度明礬溶液存在水解平衡：Al3++ 3H2O■■■■Al(OH)3+3H+。根據(jù)勒夏特列原理，如果改變影響平衡的一個(gè)條件（如濃度、溫度、壓強(qiáng)等），平衡就向減弱這種改變的方向移動(dòng)。也就是說，如果增加了溶液的濃度，會(huì)抑制水解；相反，減少溶液的濃度，會(huì)促進(jìn)水解。或者用一句話“越稀越水解”概括。這就得出“加水稀釋過程，明礬溶液水解平衡一定向正方向移動(dòng)，而且水解率一定遞增”定性結(jié)論。

這個(gè)定性解釋，學(xué)生理解起來較困難，很難接受。若輔助運(yùn)用DISLab，上述實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單定量驗(yàn)證了鹽類水解平衡體系中一條“越稀越水解”規(guī)律。學(xué)生理解起來就簡(jiǎn)單的多，很易接受！

2.【實(shí)驗(yàn)二】探究明礬溶液濃度增加過程中水解率變化情況

（1）實(shí)驗(yàn)步驟

在250mL稀釋池中放入磁轉(zhuǎn)子并加入40mL 0.1mol/L KAl（SO4）2溶液，將稀釋池放置在磁力攪拌器上，在KAl（SO4）2溶液中插入pH傳感器電極并保持電極玻璃泡位于液面以下。

在［計(jì)算表格］窗口設(shè)置變量V1為0.01mol/L KAl（SO4）2溶液體積，數(shù)值為40mL；設(shè)置變量V2為加入0.1mol/L KAl（SO4）2溶液體積；設(shè)置自定義公式V為加入0.1mol/L KAl（SO4）2溶液后混合溶液體積，公式表達(dá)式輸入V1+V2；設(shè)置自定義公式代碼為H%，公式表達(dá)式輸入:（3*10^（-pH2））/（（0.01*V1+0.1*V2）/（V1+V2））。

打開磁力攪拌器對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，選用1mL刻度吸管取1mL 0.1mol/L KAl（SO4）2溶液注入稀釋池中，待pH數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，手動(dòng)點(diǎn)擊記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并輸入V2數(shù)值（1mL），再次注入1mL 0.1mol/L KAl（SO4）2溶液，重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，系統(tǒng)自動(dòng)采集pH數(shù)據(jù)（圖6）并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行［繪圖］，可得pH隨溶液體積V變化曲線（pH-V，圖7）和Al3+水解率H%隨溶液體積V變化曲線（H%-V，圖8）。

圖6 明礬溶液濃度增加過程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 溶液pH值隨明礬溶液總體積V變化

圖8 Al3+水解率H%隨明礬溶液總體積V變化

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖及結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖可看出：加入高濃度明礬溶液來增加明礬濃度過程中，明礬溶液pH和水解率都減小。

結(jié)論：向明礬溶液中加高濃度明礬溶液來增加明礬濃度，水解平衡正向移動(dòng)，但Al3+的水解程度減小。

分析：根據(jù)勒夏特列原理的描述：當(dāng)平衡因改變外界條件而被破壞，平衡會(huì)向減弱這個(gè)改變的方向移動(dòng)，但只能“減弱”不能“消除”。增加反應(yīng)物濃度，平衡正向移動(dòng)，只能“減弱”反應(yīng)物“增多這個(gè)改變”，但不能“消除”增加反應(yīng)物濃度的影響。

用計(jì)算的方法證明也是這樣，Al3+的水解平衡Al3++ 3H2O■■■■Al(OH)3+3H+，其水解平衡常數(shù)表達(dá)式為：K= c3(H+)/c(Al3+)，水解率表達(dá)式為：H%=3c(H+)/c(Al3+)，運(yùn)用K與c(Al3+)來表示水解率為：H%=3K1/3/c2/3(Al3+)，其中溫度不變，K不變。當(dāng)增大c(Al3+)，會(huì)導(dǎo)致c2/3(Al3+)增大，H%值減小。

這就得出鹽類水解平衡普通規(guī)律：增大鹽的濃度，水解將向正方向移動(dòng)，即水解的絕對(duì)程度增大，但水解相對(duì)程度反而減小了。

實(shí)驗(yàn)二的結(jié)論與上述定性分析完全一致。DISLab給出了簡(jiǎn)單定量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，讓人信服！

四、數(shù)字實(shí)驗(yàn)再探究收獲與反思

（1）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有效地解決了《化學(xué)反應(yīng)原理》課堂教學(xué)中一個(gè)重難點(diǎn)，完成了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法勝任的工作，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)走進(jìn)中學(xué)化學(xué)課堂，對(duì)抽象原理的“可視化”帶來了定量實(shí)證，說服力強(qiáng)，可信度高，學(xué)生終生難忘，教學(xué)效果明顯。

（2）傳統(tǒng)教學(xué)采用口授定性講解，學(xué)生難以理解，更難以應(yīng)用相關(guān)知識(shí)來解決問題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將定性實(shí)驗(yàn)與定量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合實(shí)證，將宏觀、微觀與變化的曲線相結(jié)合，直觀明了，可信度強(qiáng)，學(xué)生更容易接受。

（3）學(xué)生體驗(yàn)到“宏觀、微觀、符號(hào)、圖像”四重表征在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理中積極作用，特別是曲線圖像表征，在學(xué)生腦海中有一種動(dòng)態(tài)的過程美感。

（4）選取明礬溶液作為研究對(duì)象，是因?yàn)槊鞯\有天然純凈的晶體，其稀溶液為無色透明液體，便于準(zhǔn)確配制一定物質(zhì)的量濃度溶液。用i2000型電子秤（最大量程500g，精確度0.01g）替代中學(xué)實(shí)驗(yàn)室托盤天平，使明礬藥品的稱量更為精確。

（5）經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)圖像與結(jié)論經(jīng)得起重復(fù)性驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)為簡(jiǎn)單高效可操作性實(shí)驗(yàn)，可引入中學(xué)課堂學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)：隨著數(shù)字實(shí)驗(yàn)在中學(xué)課堂教學(xué)中開展，其定量思維意識(shí)必將培養(yǎng)學(xué)生“求真”探究的學(xué)習(xí)品質(zhì)，必將潛移默化培養(yǎng)學(xué)生終生科學(xué)素養(yǎng)。

［1］人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.化學(xué)反應(yīng)原理［M］.北京：人民教育出版社，2007: 54-60

1008-0546（2017）09-0091-03

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.031

*本文系滁州市級(jí)課題《基于高中化學(xué)課堂教學(xué)“問題鏈”設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐》（CJG16072）實(shí)驗(yàn)研究材料之一。