基于手持技术测定溶液反应的平衡常数

眭苏奇 刘立雄 钱扬义 程俊

摘要：运用手持技术定量测定不同浓度K2Cr2O7溶液达到化学平衡（Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+）时溶液的pH，计算该反应的平衡常数，同时又测量同一浓度K2Cr2O7溶液在不同温度下达到平衡时溶液的pH变化关系，得出化学平衡常数只与温度有关，与浓度等其他物理量无关的结论。揭示现行教材存在的一些局限与不足，突破化学平衡常数教学上某些误区和疑点，让学生从源头上理解化学平衡常数的含义和本质，充分发挥其教学功能和价值。通过实验探究，培养学生收集、分析、处理数据的能力，促进自身学科核心素养的发展。

关键词：溶液反应; 化学平衡常数测定; pH传感器; 实验探究

文章编号：1005-6629（2020）09-0063-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 研究背景分析

1.1 化学平衡常数在平衡原理教学中的地位、功能与价值

“化学平衡常数”（以下也可用K表示）是化学平衡理论体系的核心之一，是学习电离平衡、水解平衡等的必备基础知识，对深入理解其他平衡具有重要的理论指导意义[1]。特别是通过这个章节的学习，既是对之前所学勒夏特列原理的延伸和补充，也是对之后要学的电离平衡常数、水解平衡常数和溶度积常数的一种示范和铺垫，可以继续发挥化学平衡常数的功能与价值。

通过深入学习化学平衡常数，首先可以增进学生对化学反应的限度的理解，其次可以增进学生对平衡移动规律的理解，还可以为学生提供分析其他平衡移动问题的新的思路和方法。因此，学生通过借助化学平衡常数认识到“不同条件下化学平衡状态、移动和限度是不同的”，在改变一个或多个外因情况下，可以利用化学平衡常数进行定量表征和比较，对化学平衡的认识由定性水平上升到定量水平，还可以让学生关注到体系和环境中多个要素之间的关系，对化学平衡状态、移动和限度的认识由孤立（单一因素作用）认识发展到系统（多因素共同作用）认识，为学生找到了进行理性分析的思维“支架”，对于突破学生认识障碍点、发展学生对化学平衡状态、移动和限度的认识，实现认识方式的转变具有重要意义。

1.2 化学平衡常数在现行教材呈现形式上存在的一些局限与不足

现行几套教材对化学平衡常数这一重要概念的呈现可能在实证研究方面存在一些局限与不足。这几套教材在这个重要概念的呈现上没有设计相应的定量实验，这可能是由于传统实验仪器和手段还无法开展此类精度要求较高的定量实验或是利用传统实验仪器和手段设计的实验较为复杂、操作难度较大，不利于中学阶段开展，因此基本上都是以给出实验数据的方式呈现给学生，本身说服力就不够，而且有些版本的教材将运算的结果也直接呈现给学生，这样不仅会减弱学生探究的热情和兴趣，而且会增大学生对这个问题的理解难度。试想有了不劳而获的数据和结论，还有谁会再花大力气去认真鉆研呢？对于这个较为抽象的概念，由于缺乏实证素材，只能直接“空降”硬塞给学生，可能学生在教师反复提醒下“记住”了这个结论（而不是真正理解），带着这样的疑惑在之后电离平衡常数、水解平衡常数和溶度积常数的学习中遇到较复杂的化学平衡问题，稍不留神就可能会出现这样或那样的错误了。

1.3 化学平衡常数在常规教法过程中存在的误区与疑点

教师在教学过程中由于教材的局限和实证素材的缺乏，很多一线教师的常规教法是直接把定义和结论告诉学生，教学重点也仅仅锁定在表达和计算上，虽然看似简单高效学生学起来感觉并不难，但却普遍存在较大的疑惑。主要是集中在改变某种单一组分的浓度或是等倍数改变所有组分浓度（即改变压强）不影响K值，学生在理解上有障碍，例如通常有一部分学生会错误认为增大反应物的浓度，反应正向移动，消耗了反应物使得反应物浓度减少，同时产生了生成物使得生成物浓度增加，K值应该增大。很明显，这部分学生并没有真正理解勒夏特列原理，尤其是对原理中“减弱”二字理解并不到位;还有一部分学生虽然能理解“减弱”二字的含义，但对于反应物、生成物浓度都增加时，K值保持不变还是会心存疑惑。所以若把化学平衡常数与平衡移动规律内在联系割裂开来，反而会让学生产生认识误区与疑点。因此笔者认为化学平衡常数的教学重点，是通过定量实验测定化学平衡常数，让学生从源头上理解化学平衡常数的含义和本质，这样才能在教学中充分发挥化学平衡常数的功能和价值。

从图2和表3可以看出，随着溶液温度升高，溶液pH降低，K值越来越大，反应向正方向移动，还可以根据图像和数据预测正反应为吸热反应，因为此反应可看成Cr2O2-7的水解，水解为吸热反应，这也为下阶段水解学习积累实证素材。合理选择教学媒体（手持技术），同步呈现真实实验，表征可逆反应的微观过程，可以实时显示出微粒（H+）浓度的改变随时间或其他变量改变的曲线图，呈现化学平衡的动态特征。同时帮助学生澄清模糊概念，建立科学的动态平衡观，能有效帮助学生理解化学平衡常数，强化学生对化学平衡常数与各种关系的连结能力[3]，例如“Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+”平衡各种曲线图，可以锻炼学生理清和处理各种微粒数量关系的能力。以往化学平衡的曲线图多数只出现在考试题中，学生普遍都会感到陌生和突兀，难度大，而运用手持技术后这些曲线变得真实而熟悉，“搭台阶降难度”，在自己动手操作和处理实验数据时，可以进一步加深对化学平衡中各种微观粒子的代数关系和化学平衡常数本质的理解，既提升学生的“证据推理与模型认识”“科学探究与创新意识”等学科素养，又提高学生的应试解题能力，一举多得。

3 研究展望

从现行教材中化学实验来看，主要以演示、验证、定性实验为主，可能难以培养学生自主地、定量地搜集和处理信息的能力以及进行研究性学习的能力;使用的实验仪器、装置等甚至是上百年没有变动，虽然经典可靠稳定性强，但也存在精确度差、缺乏自动采集、处理大量数据的功能以及很难与多媒体计算机连接等不足，与当今科技高速发展的数字化信息时代有些不相符。

手持技术的出现极大程度地改变了这种实验现状，这种由数据采集器、传感器、终端设备及配套的软件并能与计算机连接的实验技术，具有自动记录数据、实时的图线绘制等功能，能让学生从数据读取、记录和图像绘制的繁杂枯燥的劳动中解脱出来，让学生可以迅速建立实验现象与图像的联系，更好地提升学生对数据、图像中呈现信息的获取、解释和预测能力，有助于学生通过对图像变化趋势的观察与理解及时实验条件做出适当的调整或建立新的实验假设，并在每一次修订实验方案或控制探究变量的过程中不断思考自己的预测与实验事实不吻合的具体原因，从而引导他们更深层次的学习[4]。

将手持技术引入中学化学实证探究教学中不仅可以增加化学实验的科学技术含量和时代气息，还可以提高学生对科学实验的兴趣，让学生从中学到其他方面的知识和技术，更加有利于开阔学生的视野，提高他们从事创新活动和探索的信心。因此将化学实证探究教学与手持技术结合起来是合理、有效的。

参考文献：

[1]李振雯， 秦浩正. 氯气与水反应实验的设计及相关教学探讨[J]. 化学教学， 2018， （4）：69.

[2]宋心琦， 何少华主编. 普通高中课程标准实验教科书教师教学用书·化学反应原理（第3版）[M]. 北京：人民教育出版社， 2007：46.

[3]叶静怡. “化学平衡”迷思概念的转变教学研究[J]. 化学教学， 2010， （6）：31.

[4]钱扬义， 邓峰. 数字化化学探究实验室的建设与学生探究能力的培养[J]. 中国电化教育， 2006， （11）：50.