眭蘇奇

關(guān)鍵詞：氯氣溶解度;飽和NaCl溶液;手持技術(shù);pH傳感器;色度傳感器

一、問題的提出

教師在講授如何在實(shí)驗(yàn)室收集氯氣時(shí)，一般會講2種收集方式：第一種向上排空氣法（氯氣密度比空氣大）;第二種排飽和食鹽水法。根據(jù)勒夏特列原理Cl2+H2O?H++Cl-+HClO ，飽和NaCl溶液中c（Cl-）大，會抑制Cl2在水中的溶解，使Cl2難溶于飽和NaCl溶液，所以可以用排飽和食鹽水法來收集Cl2。但事實(shí)果真如此嗎？

筆者首先進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)，分別將Cl2持續(xù)通入到飽和NaCl溶液和純水中，一段時(shí)間過后（用pH傳感器監(jiān)測溶液pH變化，pH五分鐘內(nèi)保持不變認(rèn)為Cl2在水中溶解且與水反應(yīng)充分），發(fā)現(xiàn)兩瓶溶液都為黃色，顏色相差無幾（見圖1，圖2），之后用色度計(jì)測量（見圖3）上述兩瓶溶液的透光率（見表1），發(fā)現(xiàn)也相差不大，由此帶來疑問，飽和NaCl 溶液真的能有效降低氯氣在水中的溶解度嗎？筆者在中國知網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)關(guān)于這個(gè)問題的研究比較少，在2015年《教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)》發(fā)表的一篇名為“氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解有多大”的文章中對這個(gè)問題有所涉及[1]。此文運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合理論分析，指出氯氣在飽和食鹽水中溶解度有所減少，但是具體程度如何？文中提到由于實(shí)驗(yàn)條件有限，所測量的數(shù)據(jù)也不是很精確，只能定性進(jìn)行初步探究，基于此，筆者運(yùn)用數(shù)字化手持技術(shù)對這個(gè)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

1. 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)勒夏特列原理，提高溶液中c（Cl-），平衡左移，抑制Cl2在水中的溶解，通過監(jiān)測溶液中pH的變化量，探究Cl2在飽和食鹽水中的溶解度。

2. 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、溫度傳感器、色度計(jì)、磁力攪拌器、錐形瓶、分液漏斗、廣口瓶、橡膠塞、導(dǎo)管、鐵架臺、燒杯等儀器。氯酸鉀、濃鹽酸、氯化鈉、蒸餾水等藥品。

3. 實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充說明

本次制取Cl2采用KClO3+6HCl（濃）== KCl+3H2O+3Cl2↑，此反應(yīng)常溫下能自發(fā)進(jìn)行，且反應(yīng)速率較快，用分液漏斗將濃鹽酸的滴加速率控制為：1滴/s，以確保濃鹽酸能充分反應(yīng)，取10 g KClO3和濃鹽酸反應(yīng)，確保氯氣能平穩(wěn)流暢地持續(xù)放出，產(chǎn)生足量Cl2。

4. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

5. 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

實(shí)驗(yàn)①：

先將產(chǎn)生的Cl2通入100 mL飽和NaCl溶液中除去揮發(fā)出來的HCl后，再通入到40 mL飽和食鹽水中，用pH傳感器記錄溶液pH的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）按圖4所示裝置組裝儀器，用pH=6.86標(biāo)準(zhǔn)緩沖液校準(zhǔn)pH傳感器。

（2）檢查裝置的氣密性，開始制取Cl2。

（3）同時(shí)打開磁力攪拌器，以便Cl2在飽和NaCl溶液中與水充分反應(yīng)且快速形成Cl2的飽和溶液。

（4）待到pH值穩(wěn)定（5 min內(nèi)數(shù)值不變）視為達(dá)到飽和狀態(tài)，停止數(shù)值采集，清洗pH傳感器及其他儀器，剩余藥品集中回收處理。

實(shí)驗(yàn)②：

先將產(chǎn)生的Cl2通入100 mL飽和NaCl溶液中（目的同實(shí)驗(yàn)①），再通入到40 mL蒸餾水中，用pH傳感器

記錄溶液pH的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟：同實(shí)驗(yàn)①。

實(shí)驗(yàn)③：

不用飽和NaCl 溶液去除HCl，直接將制取的Cl2通入到40 mL飽和NaCl溶液中，用pH傳感器記錄溶液pH的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟：同實(shí)驗(yàn)①。

6. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖（見圖4）

由表2 分析：實(shí)驗(yàn)①c（H+）=2.0×10-3mol/L，實(shí)驗(yàn)②c（H+）=1.3×10-2mol/L，即Cl2在實(shí)驗(yàn)②中與水反應(yīng)的物質(zhì)的量也應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)①的6.5倍。查閱相關(guān)數(shù)據(jù)[2]：Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 平衡常數(shù)為4.2×10-4，逆反應(yīng)進(jìn)行程度較大，由此可以得出，在飽和NaCl溶液中由于提高了c（Cl-），平衡左移且進(jìn)行程度較大，可以看出的確有抑制氯氣溶解的作用，也大大減少了Cl2的損耗，可以收集到更多的Cl2。

那如何解釋前文所提的疑問及矛盾呢？我們知道Cl2在水中溶解分為物理溶解（只與溫度和壓強(qiáng)有關(guān)）和化學(xué)溶解（即與水反應(yīng)的程度），而實(shí)驗(yàn)①與實(shí)驗(yàn)②所處的環(huán)境基本一致，所以無論肉眼的定性觀察還是運(yùn)用色度計(jì)定量測量，其結(jié)果不會存在多大差異，只有通過分析Cl2化學(xué)溶解才能得出科學(xué)的結(jié)論和解釋。

通過此次探究實(shí)驗(yàn)，我們可以看出僅靠定性觀察是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有時(shí)還會產(chǎn)生誤導(dǎo)。另外即便是采用定量測量，如果沒有測量合理的物理量（變量），也會產(chǎn)生誤導(dǎo)。而此次的探究實(shí)驗(yàn)，既可以讓學(xué)生在學(xué)的過程中深刻理解Cl2在水中溶解的本質(zhì)和機(jī)理，也可以讓教師教得更清晰準(zhǔn)確，Cl2 難溶于飽和NaCl 溶液，不是指Cl2 在水中的物理溶解，而是Cl2 在飽和NaCl溶液中更難與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（即化學(xué)溶解），從而減少了Cl2損耗。

實(shí)驗(yàn)③的數(shù)據(jù)也能從側(cè)面進(jìn)行驗(yàn)證，由于實(shí)驗(yàn)③沒有除去HCl，HCl進(jìn)入到溶液后電離產(chǎn)生H+，進(jìn)一步使平衡左移，Cl2 更難與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但由于揮發(fā)出來的HCl 量畢竟少，其抑制效果肯定沒有飽和NaCl溶液那么明顯，這可以通過實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③pH 數(shù)值比較分析看出，兩者相差很小，因此要獲得純凈量多的Cl2還是要通過排飽和NaCl 溶液來獲得。

同時(shí)，通過對比實(shí)驗(yàn)①與實(shí)驗(yàn)②pH數(shù)據(jù)，還可以引導(dǎo)學(xué)生深刻認(rèn)識Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 為可逆反應(yīng)，這是高中學(xué)生第一次接觸可逆反應(yīng)，讓學(xué)生理解可逆反應(yīng)的意義，進(jìn)而能夠理解化學(xué)平衡移動(dòng)原理就顯得尤為重要[3]。在常規(guī)教學(xué)中教師主要是從宏觀現(xiàn)象與理論的角度進(jìn)行講授，較少從微觀和動(dòng)態(tài)變化上讓學(xué)生學(xué)習(xí)可逆反應(yīng)，學(xué)生多為機(jī)械記憶，沒有進(jìn)行太多的思維活動(dòng)[4]，難以真正理解并記住這一知識點(diǎn)。筆者運(yùn)用手持技術(shù)測量溶液pH的變化，隨著溶液c（Cl-）升高，pH也跟著上升，證明平衡向左移動(dòng)，既然有平衡移動(dòng)，此反應(yīng)就一定為可逆反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以把數(shù)值與微觀粒子（H+）聯(lián)系在一起，數(shù)值變化又是動(dòng)態(tài)變化過程，這樣就把可逆反應(yīng)中微觀的、動(dòng)態(tài)的本質(zhì)展現(xiàn)得淋漓盡致，也把抽象的難以理解和記憶的知識點(diǎn)“數(shù)據(jù)化、動(dòng)態(tài)化、直觀化”，讓學(xué)生“摸得著、看得見、想得起”，從而達(dá)到加深理解和記憶的效果。

由此，教師在課堂講“因?yàn)镃l2難溶于飽和NaCl溶液，所以可以用排飽和NaCl溶液收集Cl2”，這一結(jié)論是沒有問題的，但在進(jìn)行解釋的時(shí)候，應(yīng)該突出Cl2的化學(xué)溶解，再通過平衡理論來分析Cl2在飽和NaCl溶液中與水反應(yīng)的程度大小。

三、數(shù)字化手持技術(shù)解決問題的啟示

本研究對教材中難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器表征的知識內(nèi)容加以補(bǔ)充，突出了實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)作用[5]，通過手持技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測量溶液的pH、透光率進(jìn)行定量分析。借助數(shù)據(jù)曲線圖，將“數(shù)據(jù)”指代“微觀”來表征“宏觀”，使“靜態(tài)”轉(zhuǎn)化為“動(dòng)態(tài)”，客觀真實(shí)地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，揭開化學(xué)微觀世界隱藏的規(guī)律。這樣能夠有效降低知識的難度，掃除學(xué)生的“盲點(diǎn)”和“誤區(qū)”。

手持技術(shù)的運(yùn)用使學(xué)生探究問題的范圍和深度都大大拓展[6]，這對提高學(xué)生探究能力大有裨益。同時(shí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，觀察現(xiàn)象，采集數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)和現(xiàn)象建立坐標(biāo)圖，分析解決問題，參與概念的形成。培養(yǎng)了學(xué)生收集證據(jù)，分析處理數(shù)據(jù)的能力，促進(jìn)自身“證據(jù)推理與模型認(rèn)識”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識[7]”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。