数字化实验技术应用于《弱电解质电离平衡的影响因素》的教学研究

杨伏勇

摘    要： 数字化实验技术有效应用于中学化学教学，有助于激发学生的学习积极性，提高学生的实验探究、图表数据处理和问题解决能力。本文以“弱电解质的电离平衡”的教学片段为例，充分运用数字化实验技术，基于学生对实验的分析，有效突破教学的重难点内容。

关键词： 数字化实验技术    弱电解质    电离平衡    影响因素

数字化实验技术（又称手持技术）作为一种先进的实验技术手段，由于其可以借助众多类型的传感器（如温度、压强、电导率等）进行实时的数据采集和分析，将实验结果直观、动态地展示出来，其应用范围越来越广。将数字化实验技术应用于中学化学课堂教学，有助于激发学生学习兴趣，提高学生的数据分析能力，有效突破教学中的难点内容，促进学生的认知发展。

鲁科版《化学反应原理》[1]选修模块第3章第2节“弱电解质的电离、盐类的水解”的第1课时《弱电解质的电离》一节中，“影响电离平衡的外界因素”是本节的教学重难点之一。传统的教学注重对影响因素的理论分析，学生往往感觉内容较难理解且较为枯燥。本研究应用数字化实验技术探究影响电离平衡的外界因素，将理论与实验相结合，激发学生好奇心，让学生在探究实验中获得直观、动态的数据，在教师引导下通过对实验数据的分析总结，进而自主完成该知识体系的建构。

一、教学片段及评析

“影响电离平衡的外界因素”片段的教学设计以新课程理念为指导，基于数字化实验技术设置多个实验探究活动，充分运用问题教学法，教师组织、引导学生通过实验数据分析、得出相关结论，建构相关知识体系。

1.温度的影响

教学设计思路：

探究实验一：（1）连接计算机、数据采集器及pH传感器（含电极）、温度传感器。打开计算机

（2）用蒸馏水淋洗pH传感器电极，并用滤纸吸干附着在电极上的水。向100ml烧杯中加入约0.1mol·L的醋酸溶液20ml。

（3）将pH传感器和温度传感器电极放入烧杯中，使玻璃环完全浸入液面以下。待pH和温度传感器稳定后，系统将自动显示0.1mol·L的醋酸溶液的pH值和温度。

（4）打开磁力搅拌器，开启加热功能，记录随着温度的升高，每隔3摄氏度，溶液的pH变化。

实验数据：

图1    0.1mol/L的醋酸溶液的pH值随温度的变化

问题探究：（1）0.1mol·L的醋酸溶液的pH值随温度的变化呈现怎样的趋势？

（2）运用平衡移动原理解释温度对电离平衡的影响。

问题解决：在教师引导下，学生通过讨论得出相关结论。

醋酸溶液的pH值随着温度的升高呈现减小的趋势，其酸性增强。醋酸的电离平衡受温度的影响，温度升高促进了醋酸的电离，由此可知醋酸的电离过程为吸热过程。

总结提升：教师引导学生由个体到一般得出温度对弱电解质电离平衡的影响。

评析：通过数字化实验技术将温度对醋酸pH的影响，直观、动态的展示在学生面前，激发学生探究欲望，紧接着通过两个问题探究，让学生在互相讨论中自然得出温度对醋酸电离的影响，进而拓展到一般弱电解质。过程之中充分体现学生学习主体地位，锻炼学生图像分析及解释说理能力等。

2.浓度的影响

教学设计思路：

探究实验二：（1）向250ml烧杯中用酸式滴定管加入约0.1mol·的醋酸溶液10ml，将pH传感器电极放入烧杯中，使玻璃环完全浸入液面以下。待pH传感器稳定后，系统将自动显示0.1mol·L的醋酸溶液的pH值。

（2）打开“组合图线”，添加“t-pH”图线，向烧杯中迅速加入90ml蒸馏水，系统将自动记录混合溶液的pH随时间变化的曲线。

（3）用酸式滴定管移取0.1mol·L的醋酸溶液10.00ml，转移到100ml容量瓶中，加水稀释至刻度线。向100ml烧杯中加入上述稀释后的醋酸溶液20ml，测定pH值。

实验数据：

图2    0.1mol·L的醋酸溶液加水稀释过程pH随时间的变化

表1    相关溶液的pH数据

问题探究：

（1）0.1mol·L的醋酸溶液加水稀释过程中pH呈现怎样的趋势？

（2）结合表1数据分析浓度对醋酸电离平衡的影响。

问题解决：在教师引导下，学生通过讨论得出相关结论。

0.1mol·L的醋酸溶液随着蒸馏水的不断加入，其pH越来越大，酸性变弱。通过盐酸和醋酸溶液稀释10倍其pH的变化异同可以知道，若醋酸的电离平衡不发生移动，则0.01mol·L的醋酸的pH应为3.86，而事实是3.28，pH的变化相比盐酸较小，可以推出在此过程中醋酸的电离被促进了。

总结提升：推而广之，弱电解质的浓度越小，其电离程度越大。

评析：浓度对弱电解质电离平衡的影响是本节教学的一个难点，传统的理论分析学生很难接受的是：为什么浓度越小，醋酸的pH越大，酸性减弱，其电离程度却是增大的。本研究中通过数字化实验技术实时得出图像和客观数据，引导学生通过盐酸和醋酸稀释过程中pH数据的分析，让学生逐步构建浓度对醋酸电离平衡的影响，从而有效突破该难点。

3.同离子效应的影响

教学设计思路：

探究实验三：取上述0.1mol·L的醋酸溶液20ml，按实验二操作测定其pH值;再向其中加入约1g的醋酸铵固体，充分搅拌后，按实验二操作测定其pH值。

实验数据：

表2    相关溶液的pH数据

问题探究：已知醋酸铵固体在水溶液中为中性，结合表中数据分析醋酸铵的加入对醋酸电离平衡的影响？

问题解决：在教师引导下，学生通过讨论得出相关结论：

由于醋酸铵溶液显中性，排除了自身pH对醋酸溶液pH的影响，由此可以推出应该是醋酸根的引入，使得溶液中醋酸根离子的浓度增大，从而抑制醋酸的电离平衡，使溶液中氢离子浓度下降，从而引起pH的升高。

总结提升：同离子效应抑制弱电解质的电离平衡。

评析：此处巧妙引入醋酸铵这种在水溶液中显中性的物质，测其加入前后醋酸溶液的pH，讨论其加入对醋酸电离平衡的影响。学生结合醋酸铵的特点及实验数据，很容易从化学平衡原理的角度分析其对弱电解质电离的影响。

二、教学小结

本教学片断，教师充分运用数字化实验技术，以三个探究实验为线索，引导学生通过图表和数据分析，逐步推出影响电离平衡的三个外因，有效突破该节课的教学重难点。整节课的教学，充分体现了教学过程应以教师为主导、学生为主体的教学模式，在教学过程中学生具有较强的好奇心和探究欲，学生的图像、数据分析能力、自主讨论、说理能力都得到有效提升。可以说，数字化实验技术充分应用于中学化学教学更有助于课堂教学三维目标的实现。

参考文献：

[1]北京师范大学国家基础教育课程标准实验教材总编委会组编.普通高中化学课程标准实验教科书（化学反应原理选修）[M].济南：山东科学技术出版社，2011：7.