作者簡介：季曉春（1987—），女，漢族，江蘇張家港人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學化學教學。

《義務(wù)教育化學課程標準（2022年版）》指出：以實驗為基礎(chǔ)是化學學科的重要特征之一，化學實驗對全面發(fā)展學生的核心素養(yǎng)有著極為重要的作用。創(chuàng)新實驗教學，采用新穎的實驗方法和實驗裝置，能夠讓學生接觸到最新的實驗技術(shù)和實驗方法。而且創(chuàng)新實驗教學注重學生的探究過程，能讓學生通過探究發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并能用科學語言和信息技術(shù)手段合理表達探究的過程和結(jié)果。在化學教學中，教師可以通過創(chuàng)新實驗更好地激發(fā)學生學習化學的興趣，創(chuàng)設(shè)生動活潑的學習情境，幫助學生理解和掌握化學知識與技能，引導學生學習科學方法，發(fā)展學生的科學思維和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

一、創(chuàng)新實驗來源■

圖1 試驗物質(zhì)的導電性

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圖2 石灰石與鹽酸反應(yīng)

人教版九年級化學教材下冊第10單元實驗“試驗物質(zhì)的導電性”中通過電源、小燈泡、導線、金屬或石墨電極等搭建物理電路，觀察小燈泡是否發(fā)光來判斷與其串聯(lián)在一個電路中的所給實驗物質(zhì)（如氫氧化鈣溶液）是否能導電（如圖1）。

氫氧化鈣溶液又稱為澄清石灰水，實驗室常用來檢驗二氧化碳氣體（如圖2），因為二氧化碳氣體能使其變渾濁，現(xiàn)象明顯。但實驗過程中，有時會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，渾濁的石灰水又變澄清。

以上實驗方法探究有關(guān)氫氧化鈣溶液的性質(zhì)，現(xiàn)象明顯，可操作性強，但主要是從定性的角度分析。如第一個實驗在引導學生從微觀角度分析溶液的導電性時較為抽象；第二個實驗過程中有時會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象，為什么渾濁的石灰水又變澄清了？在引導學生解釋反應(yīng)的特殊現(xiàn)象、認識反應(yīng)的微觀實質(zhì)時比較困難。

二、實驗目的

使用傳感器探究石灰水的電導率變化情況，從而幫助學生理解溶液的導電原理以及認識石灰水與二氧化碳的反應(yīng)實質(zhì)。

三、實驗原理

電導率傳感器用于測量溶液的導電性強弱。一定條件下，電導率的大小能反映溶液中離子濃度的大小。

四、實驗儀器和裝置圖（如圖3、圖4）

數(shù)據(jù)采集器、電導率傳感器、計算機及相應(yīng)配套軟件、磁力攪拌器、燒杯、錐形瓶、分液漏斗、導管、氫氧化鈣、純凈水、稀鹽酸、石灰石等。

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圖3

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圖4

五、實驗步驟

1.取室溫26℃下100 mL純凈水加入燒杯中，放入磁力攪拌器磁珠。

2.校準傳感器，組裝儀器，設(shè)定攪拌擋位。

3.用電導率傳感器采集數(shù)據(jù)，迅速將一藥匙氫氧化鈣粉末加入燒杯中，充分溶解后，再加半藥匙氫氧化鈣粉末，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4.取室溫下接近飽和的澄清石灰水各30 mL于兩只燒杯中，往其中一只燒杯加等體積的水，使其濃度稀釋一半。

5.用電導率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下20 mL已被稀釋的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳氣體，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

6.用電導率傳感器采集數(shù)據(jù)，往室溫下30 mL接近飽和的澄清石灰水中不斷通入二氧化碳氣體，持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

六、數(shù)據(jù)分析

1.氫氧化鈣溶液具有導電性。

由電導率傳感器顯示的波形圖（如圖5）可以看出，純凈水幾乎不導電，其電導率為0.405；加入氫氧化鈣后，固體逐漸溶解，溶液中的離子濃度不斷增大，溶液的電導率不斷增大；氫氧化鈣溶解達到飽和狀態(tài)后，溶液中的離子濃度不變，溶液的電導率不變，達到最大值10.376。

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圖5

2.實驗室用澄清石灰水檢驗二氧化碳時，為何有時會觀察到意外現(xiàn)象？

其實，這個實驗過程中的意外現(xiàn)象通過電導率傳感器顯示的波形（如圖6），很容易分析得出結(jié)論。

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圖6

接近飽和的澄清石灰水被稀釋后，測得其初始電導率為5.724。當通入二氧化碳氣體時，發(fā)生反應(yīng)：Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，隨著反應(yīng)的進行，生成難溶性的碳酸鈣沉淀，溶液中的離子數(shù)目減少，離子濃度減少，溶液的電導率降低，當氫氧化鈣完全反應(yīng)時，溶液電導率降至最低點1.046（如圖7）。繼續(xù)通入過量的二氧化碳氣體，觀察到變渾濁的石灰水又變澄清，同時溶液的電導率開始上升，直至2.388（如圖8）。這一現(xiàn)象對應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)是：CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2在室溫下易溶于水，可解離出自由移動的離子，從而使得溶液中的離子數(shù)目增多，離子濃度增大，溶液的電導率又上升。

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圖7 澄清石灰水變渾濁

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圖8 渾濁的液體又變澄清

3.濃度較大的澄清石灰水檢驗二氧化碳時，即使二氧化碳過量，為何石灰水仍渾濁？

其實，實驗過程中并不只發(fā)生了前一個反應(yīng)，仍然是兩個反應(yīng)都有發(fā)生，這一點通過電導率傳感器顯示的波形（如圖9），也能分析得出結(jié)論。

該波形曲線的變化趨勢和上一個實驗相似。一開始室溫下接近飽和的澄清石灰水的電導率為10.061，隨著二氧化碳氣體的持續(xù)通入直至過量，同樣發(fā)生了兩個化學反應(yīng)：先是Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓ +H2O，然后CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，溶液的電導率快速下降到1.106，然后又上升至3.114，并趨于平穩(wěn)。而我們在觀察實驗現(xiàn)象時，整個過程中石灰水一直都是渾濁的，如圖10、11所示，所以從定性的角度很難去解釋這一現(xiàn)象，但是通過數(shù)字化實驗量化分析可以直觀、明顯地得出結(jié)論：反應(yīng)后所得溶液中離子的濃度低于原溶液，可能是因為第一步反應(yīng)生成的CaCO3未能完全轉(zhuǎn)化為可溶性的Ca（HCO3）2，使得溶液中離子濃度減小，石灰水仍然渾濁，溶液電導率有上升但不能恢復初始數(shù)據(jù)。

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圖10 澄清石灰水變渾濁

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圖11 繼續(xù)通入二氧化碳氣體，

液體仍然渾濁

七、實驗優(yōu)點

1.數(shù)字化實驗能較為準確、具體地幫助學生理解各種物質(zhì)，尤其是溶液導電的微觀原理，解決了長期以來初中階段只定性地研究物質(zhì)導電性實驗的問題。與傳統(tǒng)實驗測定項目相比，操作步驟減少，實驗方便，節(jié)約時間，學生更能從本質(zhì)上理解初中重要化合物酸堿鹽的定義。

2.通過測定不同濃度澄清石灰水中通入二氧化碳氣體后溶液電導率的變化情況，我們了解了某些直觀現(xiàn)象背后所看不到的化學反應(yīng)實質(zhì)；同時也為學生在化學實驗探究過程中遇到的意外現(xiàn)象做出了很好的定量分析和解釋，能夠激發(fā)學生的求知欲和學習興趣。

3.如果在分組完成課本實驗的基礎(chǔ)上演示本實驗，既能培養(yǎng)學生的動手操作能力、觀察能力，又能培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)分析能力。

數(shù)字化實驗是化學實驗融入信息社會和互聯(lián)網(wǎng)時代的鑰匙。它豐富了我們對化學問題的研究方式，也提升了我們的實驗能力和思維能力，讓我們有一個更順暢地引入化學實驗信息化、現(xiàn)代化的渠道。每位化學教師都可以不斷發(fā)揮自己的教學智慧，敢于質(zhì)疑，大膽創(chuàng)新，不斷去整合、完善和更新自己的教學理念。

（作者單位：南京市金陵中學岱山分校）

編輯：趙飛飛