酸雨教学实验的新设计

王栋

摘要： 基于建构主义思想设计一组实验，让学生自主建构酸雨的概念（酸雨基准确定的依据），用实验验证硫酸型酸雨放置时pH下降的事实。简要阐明酸雨判断（pH≤5.6）的理论依据，讨论分析模拟雨水（空气饱和蒸馏水）pH<5.6的原因、大气中CO2浓度变化对雨水pH的影响，介绍学术界提出的对酸雨基准的建议。作为一种工具，传感器技术在学习中的作用应当是参与知识的建构，而不仅仅是获取信息的手段。

关键词： 酸雨教学; 实验设计; 酸雨基准; pH传感器

文章编号： 10056629（2018）10006904中图分类号： G633.8文献标识码： B

高中化学关于酸雨的教学中，有两个问题是教学难点： 问题1，不能准确理解酸雨基准pH=5.6的确定依据;问题2，不明白硫酸型酸雨放置一段时间后pH下降的原因。实际教学中，解决问题1的方法主要是由教师讲述： 空气中有少量二氧化碳气体，溶于水并与水反应生成碳酸呈酸性，其最小pH是5.6;若某次降水的pH小于5.6，则空气一定被其他酸性气体污染，而非空气中的二氧化碳气体所致。但学生的理解不尽相同（惑），大部分学生错误理解为在蒸馏水中通入纯净二氧化碳气体至饱和时溶液的pH是5.6。解决问题2也通常是教师告诉学生一个事实，亚硫酸是弱酸，与空气中的氧气反应生成的硫酸是强酸，酸性增强，所以溶液pH下降。这种苍白无力的告知，对还未学习电离平衡知识的高一学生来说一脸茫然（疑），教学效果不尽如人意。

针对上述问题，我们借助于Vernier pH传感器技术，基于建构主义思想设计了一组实验，学生在自主建构中形成酸雨的概念，消除了上述疑和惑。

1解惑——用实验呈现事实

“惑”，乱也。意为分辨不清，不明对错。“解惑”，意为解除迷惑。

空气中二氧化碳的体积分数[φ（CO2）]约为0.034%（340ppm： 1980年数据[1]），二氧化碳溶于水存在以下平衡体系[2][3]：

基于上述计算，含少量二氧化碳的空气与水的平衡体系的pH与纯二氧化碳与水的平衡体系的pH显然不同。为让学生建构这一概念，我们设计了测定去气体蒸馏水和被空气饱和蒸馏水（模拟自然雨水）的pH两个实验，用以创设基于真实问题的学习情境，并形成学习任务。在提供相关学习资源后，学生自主设计了测定饱和二氧化碳水溶液的pH的实验，通过对实验结果的对比分析自主得出酸雨基準确定依据是“被空气饱和雨水的pH”的结论，较准确地理解了酸雨的概念。

实验1制备去气体蒸馏水： 在1000mL烧杯中加入约600mL蒸馏水，用电炉加热，保持沸腾状态15分钟，去除蒸馏水中溶解的气体。移去热源，用家用食品保鲜膜覆盖在水表面上，尽可能不让已经去除气体的蒸馏水接触空气，冷却至室温，备用。

用pH=4.00（±0.01）和pH=9.18（±0.01）的缓冲溶液（上海三信仪表厂）校准Vernier pH传感器。

装配仪器，将Vernier pH传感器（精确到0.01）与数据采集器连接，取去气体蒸馏水，测定其pH。测定结果约等于7，说明去气体水为中性或接近中性。（受测定条件的限制，在中学化学实验室中较难制得pH为7.00的中性水，实际测定值在6.80～7.00之间）

实验2制备模拟自然雨水（饱和空气蒸馏水）： 取室温下约200mL去气体蒸馏水加入到洗净的家用喷雾器中，备用;准备一只长×宽×高约为70cm×70cm×100cm（体积约为500L）的塑料袋，展开袋口并设法支撑固定好塑料袋，将喷雾器置于袋口上方，向塑料袋中喷雾，塑料袋用于收集雾状水。使水呈现雾状的目的是让水充分与空气接触，充分溶解空气中的二氧化碳气体，模拟自然雨水。必要时可以进行二次喷雾，以确保二氧化碳溶解达最大量。

用Vernier pH传感器测定饱和空气蒸馏水的pH。测定结果pH大约为5.2～5.4。多次测定的结果显示其pH都小于5.6。

上述实验结果会让学生产生疑问，为什么模拟雨水（饱和空气蒸馏水）不是中性的？为什么该蒸馏水的pH比5.6还要小？从而形成本课的主要学习任务。

实验3制备饱和CO2水溶液： 取约200mL去气体蒸馏水，高强度快速通入纯净CO2气体（工业瓶装压缩CO2气体，非实验室用化学方法制取）10分钟左右，使CO2气体达到溶解饱和状态。

用Vernier pH传感器测定饱和CO2水溶液的pH，如图1所示。

以上三个实验真实呈现去气体的蒸馏水、模拟自然雨水（饱和空气蒸馏水）和饱和二氧化碳水溶液的pH。通过比较分析，学生认识到酸雨基准（pH=5.6）不是将纯净二氧化碳气体通入到水中形成饱和溶液的酸度，而是将空气溶解于水达到饱和状态时的酸度。这种切身的体验和感悟消除了学生心中对酸雨基准确定依据的迷惑，加深了对酸雨概念的理解。

2释疑——用技术让理论说话

“疑”，不明白、不相信，“释疑”，意为解释疑问，消除疑难。

在高中学习二氧化硫性质及酸雨知识时，学生还没有学习有关电解质溶液的知识，并不知道相同条件下二元强酸的pH要比同浓度的二元弱酸的pH小（即相同条件下二元强酸溶液中的氢离子浓度要比等浓度的二元弱酸溶液中的氢离子浓度大），所以在试图向学生解释硫酸型酸雨放置一定时间后的pH下降的原因时，学生一般不易理解，产生疑问在所难免。为了消除学生的疑难，教师引导学生设计实验，验证在模拟pH=4的酸雨中通入氧气（或加入双氧水）时，溶液pH发生变化情况，让枯燥的理论变为可视化的数据，用实验代替苍白无力的说教，直观解答学生产生的疑问。

实验4在500mL的烧杯中加入200mL去气体蒸馏水，放在磁力搅拌器上，用注射器向去气体蒸馏水中慢慢通入少量SO2气体（SO2由实验室用亚硫酸钠与浓硫酸反应制得，用量一般小于10mL），控制pH在4左右。小心地向其中通入纯净氧气（由医用氧气袋供气）或加入两滴30%的双氧水。

用Vernier pH传感器测定溶液的pH。测定结果： 溶液pH下降0.4左右。

空白试验： 另取200mL去气体蒸馏水，用稀盐酸调至pH等于4左右，向其中加入两滴30%的双氧水，测定溶液pH，结果显示pH下降0.10～0.15左右）。

该实验用现代传感器技术测定了亚硫酸在氧化为硫酸的过程中pH的变化，结合教师的分析，学生能认清相同条件下亚硫酸溶液的pH要比同浓度的硫酸的pH大的事实，也为以后学习电解质溶液的性质做好一定的知识准备。

3问题与讨论

（1） 多次实验结果表明久置于空气中的蒸馏水的pH都小于5.6（实验2测定结果为5.2～5.4），我们认为原因有二： 一是实验条件下的空气并不是理想的只含有少量CO2的氮气、氧气混合气体，而是已经不同程度地被SO2等酸性气体污染过的气体;二是由于人类活动，室内空气中的二氧化碳气体的含量要大于平均值，有研究测得室内CO2的含量达520～660ppm[4]，二氧化碳浓度的增大，使溶液酸度增大。

（2） 本研究使用1980年数据计算出被空气饱和蒸馏水的pH为5.6（实际计算值为5.64）。由于人类的活动，空气中二氧化碳的含量逐年增加，若使用较早时期（1950年： 310ppm[5]）和近年（2013夏威夷冒纳罗亚观测站）的测定结果400ppm[6]计算，pH分别为5.67和5.61，说明近70年来空气中二氧化碳的含量的变化对酸雨判定的基准的影响不大。同时本文的所有计算过程都忽略了空气中其他酸性气体（如氮氧化合物等）对雨水酸度的影响。

（3） 向pH=4的亚硫酸溶液中快速通入10分钟空气，溶液的pH下降不明显，说明空气中氧气氧化亚硫酸的速率较慢，我们改用医用纯氧，同样快速通入10分钟后，溶液pH只能下降0.1～0.2左右，放置2小时后，pH下降约0.4左右并趋于稳定。为加快亚硫酸的氧化速率，我们向其中加入2滴30%的双氧水，溶液的pH立即下降0.4左右，考虑到空白实验的结果，溶液pH实际下降不到0.3。这一结果也与理论估算相吻合。估算过程如下： H2SO3H++HSO-3， HSO-3H++SO2-3， Ka1=1.28×10-2， Ka2=7.24×10-8，在不考虑亚硫酸的二级电离的情况下，若pH为4的亚硫酸溶液计算得亚硫酸的浓度为1.01×10-4mol/L，当全部亚硫酸氧化為硫酸后，设硫酸为二元强酸，即溶液中[H+]约为2.02×10-4mol/L，计算得溶液的pH为3.69，由4变化到3.69，变化约0.3[估算中忽略了溶解在水中未与水化合的SO2，同时也没有考虑硫酸的二级电离是可逆的事实（HSO-4的电离常数Ka2=1.02×10-2），两者相互抵消，减小了估算误差]。

（4） 关于将酸雨基准定为pH=5.6是否合理，学术界有一定研究，谢约翰的研究建议将基准定为3.94～5.41之间[7]。莫天麟等学者研究建议基准定为4.7[8]。从各国在不受工业影响的洁净地区测得的结果来看，将酸雨的判别基准定为5.6也有待商榷。Winker （1983）参加北极的考察中，在基本不受人为污染影响的北纬80°以北地区，测得降水平均pH为5.12，最低达4.75。根据Galloway等（1982）报道，全球降水化学计划已在5个僻远地区收集和监测降水，发现降水是酸的，降水体积加权平均的pH为4.8～5.0。其原因是自然条件下大气中其他痕量酸性气体（痕量气体是指在大气中浓度低于1ppm即10-6的气体。主要痕量气体的本底值为SO2： 0.2ppb， NH3： 0.1ppb， HCl： 1ppb， HNO3： 50ppt， H2S： 0.2ppb， HNO2： 0.1ppb。1ppb=10-9; 1ppt=10-12）、降水强度、气溶胶、有机酸等因素对降水pH都有影响，从理论和实测两方面都说明酸雨基准确定为小于5.6的某个数值才相对合理。

4本实验设计的意义

国际知名教育技术学者戴维·乔纳森认为，技术不仅仅是硬件，还包括促进学习的任何一种方法，以及促使学习者参与所作的设计与环境[9]。在传统教学中，技术往往被用作是知识传递的工具。人们通过与技术交互，从技术中接受信息并且尝试去理解这些信息。技术作为信息的载体和学生的导师，学习者是“从技术中学习”。这种技术传递教学信息的观念已经过时。技术不应该被用作被动的学习者运输和传递设计者信息的工具，而应该作为学习者学习的工具，让学生参与有意义的学习，即“用技术学习”。因为当学习者作为被动接受存储技术所传递的那些需要处理的信息的“容器”时，他们并没有进行有意义的学习，而当学生把技术作为开发和分享自己的“食物”的工具时，他们在进行有意义的学习。让传感器技术融入到学生的学习过程中，促使学生去探究问题、设计实验、验证假说和创设学习的情境，进行有意义的学习。本教学实验设计中，我们试图将传感器技术运用到学生的知识建构中，引导学生设计实验，解惑释疑，让传感器成为学生有意义学习的工具。

参考文献：

[1][5]阎坤.60年来大气中二氧化碳浓度数据的趋势方程研究[J].地球物理学进展， 2009，（10）： 1665～1670.

[2][7]谢约翰.关于酸雨基准值的界定研究[J].地理教学， 2016，（12）： 16～17.

[3][8]莫天麟等.酸雨判别基准值探讨[J].环境科学学报， 1988，（1）： 32～39.

[4]徐业林等.室内空气中二氧化碳变化趋势及现状调查[J].安徽预防医学杂志， 2010，（8）： 272～280.

[6]大气中二氧化碳含量创历史新高.科技日报.2013年5月15日第002版.

[9]贾义敏.学习的未来： 学会解决问题[J].现代教育技术， 2009，（3）： 5～9.