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摘 ? 要：通過數(shù)字化儀器縮短次氯酸光照分解的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，用于課堂教學(xué)，使學(xué)生從數(shù)據(jù)變化中自己推導(dǎo)出次氯酸光照分解的化學(xué)方程式。

關(guān)鍵詞：次氯酸；光照分解；數(shù)字化儀器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

次氯酸光照分解反應(yīng)是高中化學(xué)的重要知識，2003版的全日制普通高級中學(xué)教科書中曾給出如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，但并沒有編排具體的實(shí)驗(yàn)操作，原因是該實(shí)驗(yàn)需要幾天時(shí)間才能出現(xiàn)較明顯的現(xiàn)象[ 1 ]。新課改后三大版本的教材均未設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，而是直接給出了相應(yīng)的化學(xué)方程式，人教版必修第一冊[ 2 ]在科學(xué)·技術(shù)·社會欄目中提到了用數(shù)字化儀器去探究次氯酸光照分解的產(chǎn)物，并給出了圖像，可以直接用于教學(xué)，但具體做實(shí)驗(yàn)效果如何，有待檢驗(yàn)。朱衛(wèi)華老師分別用pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器測定氯水光照時(shí)數(shù)據(jù)的變化情況，取得了不錯(cuò)的效果，但是實(shí)驗(yàn)處于敞開體系，對空氣有一定的污染[ 3 ]。

數(shù)字化儀器能夠捕捉化學(xué)反應(yīng)中的微弱變化，將其以數(shù)據(jù)、圖像的形式直接呈現(xiàn)出來，非常直觀，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的盲區(qū)。筆者在前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用三頸燒瓶作為一個(gè)密閉反應(yīng)體系，用pH傳感器和氧氣傳感器來監(jiān)測次氯酸光照體系中pH與氧氣濃度的變化，以此來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 ?實(shí)驗(yàn)原理

氯氣在水中的溶解度不是很大：1升水可溶解2升氯氣達(dá)到飽和，溶解的一部分氯氣和水反應(yīng)生成次氯酸，并且該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，所以次氯酸的濃度很低。為了增大次氯酸的濃度以達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，可以將新制氯水事先在暗處放置3-5天左右。用pH傳感器和氧氣傳感器分別來監(jiān)測光照氯水中pH與氧氣濃度的變化，以數(shù)據(jù)、圖像的形式加以呈現(xiàn)。

2 ?實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

（1）儀器：pH傳感器、氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、三頸燒瓶、廣口瓶、磁力攪拌器、臺燈（功率：20W）。

（2）藥品：氯水（暗處放置3-5 d）。

3 ?實(shí)驗(yàn)過程

（1）按照圖2所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將pH傳感器、氧氣傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接到數(shù)據(jù)采集器，然后再連接到計(jì)算機(jī)，打開Lab Studio軟件。

（2）在三頸燒瓶中倒入適量氯水并塞上橡皮塞，將其置于暗處30 min。將三頸燒瓶置于磁力攪拌器上，然后打開橡膠塞，插入帶橡膠塞的pH傳感器和氧氣傳感器，用膠帶將氧氣傳感器固定和密封。

（3）打開磁力攪拌器，待pH值、氧氣含量值不再變化時(shí)，打開臺燈照射三頸燒瓶（圖3），點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，停止數(shù)據(jù)采集并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像。

4 ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析

圖4表明在光照過程中，三頸燒瓶內(nèi)氧氣含量開始逐漸增大，那么是否就說明反應(yīng)產(chǎn)生了氧氣呢？有研究表明具有強(qiáng)氧化性的氣體，例如氯氣，也能使氧氣傳感器（朗威）的數(shù)值增大[ 4 ]。筆者用圖5裝置做了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)：將氧氣傳感器插入放有高錳酸鉀的三頸燒瓶中，用注射器注入濃鹽酸，發(fā)現(xiàn)氧氣含量并沒有上升，而是大幅度下降（圖6）。將氧氣傳感器取出后，氧氣含量又立馬上升，由此可見本實(shí)驗(yàn)用到的氧氣傳感器（正方體科技）不會因?yàn)槁人新葰獾膿]發(fā)而使示數(shù)上升，相反的是會下降，因此氧氣含量的升高說明光照過程中確實(shí)產(chǎn)生了氧氣。

可以看到圖4中2000 s后氧氣濃度緩慢下降，這是為什么呢？筆者用圖5裝置將氧氣傳感器插入空的廣口瓶，測得氧氣含量變化如圖7，氧氣含量慢慢地下降，這是因?yàn)檠鯕鈧鞲衅髟跍y定氧氣含量時(shí)本身是消耗氧氣的。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，次氯酸濃度不斷減小，分解產(chǎn)生氧氣的速率逐漸減小，當(dāng)消耗氧氣速率大于產(chǎn)生氧氣速率時(shí)，體系中氧氣含量開始下降。圖8表明在光照過程中，溶液的酸性逐漸增強(qiáng)，說明產(chǎn)生了比HClO酸性更強(qiáng)的酸，從元素守恒的角度可以推測是HCl。

從氧氣傳感器和pH傳感器的數(shù)值變化中，學(xué)生可以清晰地看到次氯酸光照分解的事實(shí)，很快能夠確定分解產(chǎn)物中有氧氣。pH值的變化稍微慢些，需要一段時(shí)間。在教學(xué)過程中可以先讓學(xué)生分析HClO光照分解除了O2，還有什么？讓學(xué)生從元素守恒、氧化還原規(guī)律上進(jìn)行思考，學(xué)生就會想到氧元素化合價(jià)升高，則必有元素化合價(jià)降低，那么這里要么是H+ 得電子生成H2，要么是氯元素得電子生成Cl-。這時(shí)候可以看到溶液pH降低的現(xiàn)象，說明酸性變強(qiáng)，還有一個(gè)產(chǎn)物自然能推出是HCl。學(xué)生通過觀察到的現(xiàn)象結(jié)合邏輯分析，自己推導(dǎo)寫出化學(xué)方程式，不但加深了對該方程式的印象，更重要的是培養(yǎng)了化學(xué)學(xué)科的思維方式，是“宏觀辨識、微觀探析、證據(jù)推理、科學(xué)探究”等核心素養(yǎng)的落實(shí)。

5 ?實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思

在本實(shí)驗(yàn)中，通過數(shù)字化儀器放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使得原本要幾天才能看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在10-15 min就可以看到，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并且次氯酸分解過程處于密閉體系，對環(huán)境污染小，可以將其應(yīng)用于教學(xué)中。盡管如此，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間還是偏長，且溶液中pH的變化幅度較小，最好采集15 min以上的數(shù)據(jù)以排除實(shí)驗(yàn)誤差原因。因此，如何加速次氯酸的光照分解，是本實(shí)驗(yàn)有待進(jìn)一步研究的地方。

若是將此實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)，可以讓學(xué)生如前面所述邊觀察邊分析，再觀察再分析；若是覺得時(shí)間太久，教師可以課下事先做好實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)文件，在課堂上進(jìn)行回放，加快播放速度，很快就能呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像，清晰明了；除此之外，該實(shí)驗(yàn)還可以作為學(xué)校的化學(xué)校本課程，讓學(xué)生自己動手操作探究次氯酸光照分解的產(chǎn)物，從實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和操作難易程度上來看，都是比較適合的。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級中學(xué)教科書（必修）化學(xué)（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：66.

［2］ 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.全日制普通高中教科書（必修）化學(xué)（1）[M].北京：人民教育出版社，2019：45.

［3］ 朱衛(wèi)華.利用傳感技術(shù)探究次氯酸光照分解的實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教與學(xué)，2013，（11）：87-88.

［4］ 王保強(qiáng)，李增坤，劉云芳.氧氣傳感器的原理及其在不同環(huán)境中使用的注意事項(xiàng)[J].化學(xué)教育，2019，40（23）.