楊美玲

摘要：通過(guò)使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，在原電池的課堂演示實(shí)驗(yàn)中以曲線的形式呈現(xiàn)反應(yīng)方向的改變、反應(yīng)速率的變化，幫助學(xué)生將原電池知識(shí)與反應(yīng)速率、化學(xué)平衡知識(shí)融會(huì)貫通。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn);原電池;可逆反應(yīng);化學(xué)平衡

文章編號(hào)：1008-0546（ 2020）08-0092-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.026

王繼璋[1]提出，用20mL 0.1mol/L KI溶液和20mL0.1mol/L FeCl3溶液組成雙液原電池后，發(fā)生反應(yīng)2FeCl3+2KI =+2FeCl2+2KCl，電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。待電流表指針指向“0”后，加入碘單質(zhì)或FeCl2晶體，電流表指針將再偏轉(zhuǎn)。待電流表指針再次指向“0”后，再加入KI晶體，電流表指針將又發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生深刻理解平衡狀態(tài)及平衡移動(dòng)。 筆者對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常感興趣，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于課堂上，幫助學(xué)生理解化學(xué)平衡知識(shí)。然而，筆者在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：

問(wèn)題一、電流衰減很慢，如表1：

前2小時(shí)內(nèi)，從電流表中幾乎看不出電流的減小。如果要等電流表指針重新指到“0”，需要一個(gè)非常漫長(zhǎng)的等待過(guò)程。

問(wèn)題二、向燒杯中再加入FeCl3固體、KI固體、碘單質(zhì)，電流表指針偏轉(zhuǎn)不明顯。如果該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)，還需要進(jìn)行一定的調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加清晰。

為了使該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊?wù)于課堂教學(xué)，筆者做了多次實(shí)驗(yàn)，尋找適合課堂教學(xué)的最佳實(shí)驗(yàn)方案。

一、實(shí)驗(yàn)器材和藥品

0.1mol/L FeCl3溶液、0.01mol/LFeCl2溶液、0.1mol/LKI溶液、0.01mol/L KI溶液、還原鐵粉、碘單質(zhì)。上海數(shù)好（Seho）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室微電流傳感器、鹽橋、燒杯、導(dǎo)線、石墨碳棒、50mL小燒杯、漏斗、濾紙。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究

1.電流能否在課堂40min內(nèi)衰減為0

針對(duì)問(wèn)題一，筆者用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)微電流傳感器代替靈敏電流表，嘗試通過(guò)調(diào)整兩種電解質(zhì)溶液的濃度來(lái)縮短電流衰減為0的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)操作：小燒杯A中盛有電解質(zhì)溶液1，小燒杯B中盛有電解質(zhì)溶液2。微電流傳感器的紅線連接石墨碳棒，浸入小燒杯A中;微電流傳感器的黑線連接石墨碳棒，浸入小燒杯B中。實(shí)驗(yàn)裝置如圖l： 在計(jì)算機(jī)Seho通用軟件上設(shè)置每秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，放人鹽橋，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕。

多次實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)eCl3與KI反應(yīng)的趨勢(shì)非常大，即使實(shí)驗(yàn)中FeCl3的濃度非常小，2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl依然正向進(jìn)行，且該原電池電流能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，要在課堂40min內(nèi)觀察到電流衰減為0十分困難。另外，在多組實(shí)驗(yàn)中，電流忽大忽小，很不穩(wěn)定，但都呈現(xiàn)了總體增大的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，除了濃度以外，還有其他因素影響了FeCl3與KI反應(yīng)速率。復(fù)雜的影響因素情況可能會(huì)干擾學(xué)生的核心知識(shí)學(xué)習(xí)。

2.電流能否在課堂40min內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減小的過(guò)程

為了幫助學(xué)生理解“反應(yīng)過(guò)程中電流大小與反應(yīng)速率有關(guān)，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)速率將逐漸減小，因此，電流將逐漸減小”這個(gè)原理，筆者進(jìn)行了多組不同濃度的實(shí)驗(yàn)，嘗試讓學(xué)生觀察到2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl反應(yīng)中，電流隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減小的過(guò)程。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，找到了比較適合的濃度方案，其中三組對(duì)比如表2及圖2：

多次實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)eCl3與KI的反應(yīng)過(guò)程中，F(xiàn)eCl3的濃度即使較小，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的速率也呈現(xiàn)了逐漸增大的趨勢(shì)。除了濃度以外，鹽橋、局部的離子濃度變化、空氣等，可能影響了FeCl3與KI的反應(yīng)速率。如果要在課堂上將反應(yīng)速率與原電池知識(shí)聯(lián)系學(xué)習(xí)，應(yīng)該選擇第2組或第3組實(shí)驗(yàn)。

3.在課堂上呈現(xiàn)“可逆”原電池

筆者選取第3組實(shí)驗(yàn)方案在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕以后，學(xué)生在投影幕上可實(shí)時(shí)觀察到原電池電流在每一秒中的數(shù)據(jù)變化。反應(yīng)進(jìn)行到約350秒時(shí)，向盛有FeCl2、FeCl3溶液的小燒杯A中加入了約1滴管0.1mol/LFeCl3溶液，得圖3。

學(xué)生觀察到電流曲線從開(kāi)始時(shí)的逐漸變小到平穩(wěn)，到FeCl3濃度增大時(shí)，電流由負(fù)變正，學(xué)生們都表現(xiàn)得十分驚奇，學(xué)習(xí)興趣、探究熱情一下就高漲起來(lái)了。

在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)以下幾個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)：

（1）電流為負(fù)，說(shuō)明2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl正在向哪邊進(jìn)行？

微電流傳感器的紅線連接石墨，浸入FeCl3、FeCl2混合溶液的小燒杯A中;微電流傳感器的黑線連接石墨，浸入KI、I2混合溶液的小燒杯B中。如果小燒杯A為正極區(qū)，小燒杯B為負(fù)極區(qū)，電流應(yīng)該為正?，F(xiàn)在電流為負(fù)，說(shuō)明小燒杯A為負(fù)極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe2+_e-=Fe3+;小燒杯B為正極區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)：I2+2e=21-。即反應(yīng)正在向逆方向進(jìn)行。

（2）向小燒杯A中加入約1滴管0.1mol/L FeCl3溶液后，曲線出現(xiàn)如上圖所示的突變，說(shuō)明什么？

電流由負(fù)變?yōu)檎?，說(shuō)明反應(yīng)方向發(fā)生了變化。原來(lái)的小燒杯A（負(fù)極區(qū)）變?yōu)榱苏龢O區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)：Fe3++e-=Fe2+;原來(lái)的小燒杯B（正極區(qū)）變?yōu)榱素?fù)極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)：21--2e-=I2。通過(guò)改變濃度，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)方向的逆轉(zhuǎn)。

（3）反應(yīng)初始階段，電流的變化趨勢(shì)是怎樣的？聯(lián)系物理學(xué)到的“電流強(qiáng)度”的定義及化學(xué)平衡的特點(diǎn)，思考：電流大，表示該化學(xué)反應(yīng)的哪個(gè)物理量大？如果電流為0，表示什么？

在初始階段，曲線上升。學(xué)生很容易誤會(huì)，此時(shí)電流在增大。但是，學(xué)生通過(guò)討論，很容易明白縱坐標(biāo)的負(fù)號(hào)只表示反應(yīng)的方向，數(shù)據(jù)的絕對(duì)值才表示電流的大小。

物理學(xué)到的“電流強(qiáng)度”是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定橫截面的電量多少。學(xué)生能迅速聯(lián)想到，電流強(qiáng)度越大，即表示單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)越多，也即化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得越快，反應(yīng)速率越大。所以，電流大，表示化學(xué)反應(yīng)速率大;電流為0，表示反應(yīng)“靜止”，即反應(yīng)到達(dá)了平衡狀態(tài)。

（4）通過(guò)以下經(jīng)典習(xí)題，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固：

某小組同學(xué)欲探究可逆反應(yīng)As0;-+12+20H-=AsO3-+21-+H2O。設(shè)計(jì)如圖4所示裝置。加入試劑并連接裝置，電流由C：流入C，。當(dāng)電流變?yōu)榱銜r(shí)，向圖3裝置左邊燒杯中逐滴加入一定量2mol/L鹽酸，發(fā)現(xiàn)又產(chǎn)生電流，實(shí)驗(yàn)中電流與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

①a、b、c中，能表示反應(yīng)正在向生成I2方向進(jìn)行的是

。

②圖5中As0;-的逆反應(yīng)速率：a__ b（填“>”“<”或“=”）。

③能判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是 ___

。

a.2v（l-）正=”（AsO3-）逆 b.溶液的pH不再變化

c.電流表示數(shù)變?yōu)榱?/p>

d.溶液顏色不再變化

三、研究體會(huì)：

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)使抽象的反應(yīng)方向在課堂上清晰可視

通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物的濃度，使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，使本來(lái)現(xiàn)象不太明顯、耗時(shí)很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)為在課堂上可即時(shí)觀察到化學(xué)反應(yīng)方向改變的演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)曲線圖中電流方向隨時(shí)間的變化分析，可直觀地觀察到原電池反應(yīng)方向的變化。學(xué)生對(duì)于如此清晰的曲線變化，表現(xiàn)出了極大的求知欲與濃厚的興趣，有利于下一步的化學(xué)學(xué)習(xí)。

2.跨學(xué)科、跨知識(shí)塊學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體表現(xiàn)，反映了社會(huì)主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生未來(lái)發(fā)展的重要價(jià)值[2]。學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，必須通過(guò)化學(xué)學(xué)科核心內(nèi)容的探究學(xué)習(xí)。

學(xué)生在課堂上對(duì)實(shí)驗(yàn)的探究、討論分析的過(guò)程中，通過(guò)物理學(xué)中“電流強(qiáng)度”的定義，聯(lián)系到化學(xué)中氧化還原反應(yīng)的得失電子，進(jìn)而分析出電流強(qiáng)度大，表示反應(yīng)速率快，這個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí)，滲透了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)的培養(yǎng)。加入濃的FeCl3溶液后，電流方向的改變，指示了反應(yīng)方向的改變，使抽象的概念可視化，這是“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的滲透。

參考文獻(xiàn)

[1]王繼璋.設(shè)計(jì)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)理解化學(xué)平衡及平衡移動(dòng)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（5）：48-49

[2] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

2018年廣州市天河區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究》（立項(xiàng)編號(hào)：2018Y005）研究成果