化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要方法和途徑。新課標(biāo)要求在內(nèi)容選擇上精心設(shè)計(jì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究過(guò)程，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值^[1]。難溶電解質(zhì)在水溶液中存在的溶解平衡是一個(gè)重要的化學(xué)平衡。筆者利用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生論證溶解平衡的存在，體驗(yàn)溶度積常數(shù)的獲得，判斷溶解平衡的移動(dòng)。應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究與數(shù)理分析，有利于學(xué)生加深對(duì)化學(xué)平衡理論的理性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)實(shí)證意識(shí)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教材內(nèi)容分析

人教版^[2]與魯科版^[3]教材分別以難溶電解質(zhì)AgCl和PbI為例，說(shuō)明存在溶解平衡，指出溶度積常數(shù)只與難溶電解質(zhì)的性質(zhì)與溫度有關(guān)，而與沉淀的量無(wú)關(guān)。難溶電解質(zhì)在水溶液中的溶解度很小。利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段很難搞清其微觀離子在水中的存在和運(yùn)動(dòng)，而應(yīng)用電導(dǎo)率傳感器可以探知微弱的離子濃度變化，并以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)難溶電解質(zhì)的溶解平衡及影響因素。筆者在教學(xué)設(shè)計(jì)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)測(cè)量難溶電解質(zhì)PbI飽和液的電導(dǎo)率，獲得各離子的實(shí)際濃度和溶度積常數(shù)，通過(guò)測(cè)量懸濁液稀釋過(guò)程和升溫過(guò)程的電導(dǎo)率變化，說(shuō)明溶解平衡的存在和溫度效應(yīng)的影響，以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的數(shù)據(jù)實(shí)證，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

很多化學(xué)教師非常關(guān)注并開展了相關(guān)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。鄭曉紅^[4]利用氯離子傳感器，通過(guò)氯離子濃度的升降來(lái)定性研究氯化銀沉淀溶解平衡的移動(dòng)。楊玲等^[5]利用pH傳感器與電導(dǎo)率傳感器探究碳酸鈣的溶解平衡的移動(dòng)方向。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究思路新穎，推理縝密，證明了溶解平衡的存在和移動(dòng)，但都沒有對(duì)離子濃度、溶度積常數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，沒有研究溫度對(duì)溶解平衡的影響，且普通的氯離子傳感器在濃度極低時(shí)的敏感性和精確性并不理想，只能作定性變化的研究。在溶解平衡的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要充分論證平衡理論，必須獲得離子實(shí)際濃度并計(jì)算溶度積常數(shù)，因?yàn)殡x子的實(shí)際濃度變化是溶解平衡發(fā)生變化最直接的表達(dá)，也是溶解平衡移動(dòng)方向最直接的判斷，而溶度積常數(shù)可直觀表現(xiàn)和比較沉淀的溶解性。

三、教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

（一）教學(xué)目標(biāo)

第一，通過(guò)對(duì)難溶電解質(zhì)離子濃度與電導(dǎo)率關(guān)系的認(rèn)識(shí)，初步理解溶解平衡的存在，并從宏觀和微觀角度解釋溶解平衡。

第二，觀察懸濁液的稀釋和加熱過(guò)程中電導(dǎo)率變化的情況，了解溶解平衡的存在和移動(dòng)，并通過(guò)電導(dǎo)率、離子濃度、溶度積常數(shù)等判斷溶解平衡的移動(dòng)，解釋平衡移動(dòng)的原因。

第三，通過(guò)利用電導(dǎo)率傳感器實(shí)驗(yàn)探究離子濃度和對(duì)有毒廢棄物的無(wú)害化處理，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的探究精神和環(huán)保意識(shí)的社會(huì)責(zé)任。

（二）評(píng)價(jià)目標(biāo)

第一，利用電導(dǎo)率與離子濃度的關(guān)系，計(jì)算溶度積常數(shù)，診斷并發(fā)展學(xué)生宏觀—微觀—符號(hào)三重表征的理解水平。第二，通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，診斷并發(fā)展學(xué)生利用數(shù)字化傳感器進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究水平。第三，通過(guò)對(duì)稀釋和加熱懸濁液過(guò)程中的電導(dǎo)率變化曲線的解讀和點(diǎn)評(píng)，評(píng)估并提高學(xué)生對(duì)化學(xué)平衡理論和溶解平衡移動(dòng)的理解水平。

（三）教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)是使學(xué)生掌握溶解平衡的存在和移動(dòng)，難點(diǎn)是用離子濃度和化學(xué)平衡理論解讀溶解平衡移動(dòng)。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

難溶電解質(zhì)的溶解平衡是水溶液中一個(gè)重要的化學(xué)平衡。通過(guò)此內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練應(yīng)用化學(xué)平衡理論解釋溶解平衡，同時(shí)更加透徹地了解溶液中離子濃度變化的情況。筆者采用教—學(xué)—評(píng)一體化策略，助力學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。在教學(xué)過(guò)程中，以黃金雨為情境，通過(guò)6個(gè)教學(xué)步階，引導(dǎo)學(xué)生電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)探究溶解平衡的存在和移動(dòng)，有效建構(gòu)和完善化學(xué)平衡理論（如圖1）。

五、教學(xué)過(guò)程

（一）碘化鉛的制備與凈化

首先取兩個(gè)250 mL規(guī)格的燒杯，分別加入0.5 g硝酸鉛和0.6 g碘化鉀，向兩個(gè)燒杯中分別加入150 mL 65 ℃熱水，然后用玻璃棒攪拌加速溶解后將碘化鉀溶液倒入硝酸鉛溶液中，立即產(chǎn)生金黃色的碘化鉛沉淀，最后將懸濁液趁熱過(guò)濾于燒瓶中，燒瓶?jī)?nèi)在燈光的照射下不斷生成閃著金光的“黃金雨”。濾液在冷卻過(guò)程中不斷地析出大小均一的碘化鉛沉淀。

將碘化鉛沉淀轉(zhuǎn)移到離心試管內(nèi)，加入5 mL蒸餾水，置于離心機(jī)上以900轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速離心3分鐘，將上層清液倒入1個(gè)盛有NaS固體的燒杯中進(jìn)行無(wú)害化處理，再加入蒸餾水按上述離心操作3次。

實(shí)驗(yàn)分析 ：制備實(shí)驗(yàn)主角碘化鉛（引入課題），展現(xiàn)鮮艷亮麗的色彩讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)之美，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的興趣。反復(fù)地離心操作和蒸餾水清洗，目的是除去多余的硝酸根、鉀離子等可溶離子，確保碘化鉛沉淀的純度。凈化操作可根據(jù)課時(shí)的安排，課前另制沉淀。強(qiáng)調(diào)含鉛污染物的無(wú)害化處理，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，發(fā)展學(xué)生“社會(huì)責(zé)任”相關(guān)素養(yǎng)。

（二）電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)原理

固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)電能力通常以電阻表示，而液態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)電能力通過(guò)用電導(dǎo)表示。電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)。由于溶液導(dǎo)電能力主要受離子濃度影響，所以同種電解質(zhì)的水溶液電導(dǎo)越大說(shuō)明電解質(zhì)離子濃度越大。難溶電解質(zhì)多為溶解度極小的強(qiáng)電解質(zhì)，電解質(zhì)的極限摩爾電導(dǎo)率 （S·m²·mol^-1）、測(cè)量電導(dǎo)率 （S·m^-1）、電解質(zhì)的離子濃度 （mol·L^-1）、沉淀物（AB型）的溶度積常數(shù)（mol³·L^-3）有如下關(guān)系：

查表^[6]可得25 ℃時(shí)碘化鉛的極限摩爾電導(dǎo)率為1.478×10^-2 S·m²·mol^-1。

實(shí)驗(yàn)分析：溶液的導(dǎo)電性是電解質(zhì)電離性質(zhì)的重要內(nèi)容。介紹實(shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生基本掌握溶液導(dǎo)電能力與離子濃度的關(guān)系，并知道可以通過(guò)電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得離子濃度，進(jìn)一步計(jì)算難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)，達(dá)成化學(xué)研究微—宏—符的三重表征，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)。

（三）蒸餾水電導(dǎo)率測(cè)定

按圖2搭建實(shí)驗(yàn)裝置。

在小燒杯中加入20 mL的蒸餾水，將電導(dǎo)率傳感器放入蒸餾水中測(cè)量，將操作結(jié)果填入表1中，重復(fù)3次取平均值。

實(shí)驗(yàn)分析：雖然蒸餾水的電導(dǎo)率非常小，但由于溶有少量的雜質(zhì)，如二氧化碳等，這些溶質(zhì)相對(duì)于難溶電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，仍有較大影響。測(cè)定蒸餾水的電導(dǎo)率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，用扣除溶劑電導(dǎo)率后的數(shù)據(jù)表示電解質(zhì)的電導(dǎo)率較為精確。如果實(shí)驗(yàn)有更高精度的要求，還可以對(duì)蒸餾水進(jìn)行預(yù)處理。處理的方法是向蒸餾水中加入少量高錳酸鉀，用硬質(zhì)燒瓶進(jìn)行重蒸餾^[7]，得到“電導(dǎo)水”?！半妼?dǎo)水”的電導(dǎo)率可以做到小于1 μS·cm^-1。

（四）溶度積常數(shù)的獲得

將純凈的碘化鉛沉淀全部（沉淀越多溶解速率越快）倒入到盛有75.00 mL蒸餾水的大燒杯中，放入電導(dǎo)率傳感器開始測(cè)量電導(dǎo)率，用玻璃棒輔助磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，直至電導(dǎo)率測(cè)量值表現(xiàn)為不再變化，達(dá)到溶解飽和呈懸濁狀，獲得數(shù)據(jù)記錄并計(jì)算填表（見表2）。

實(shí)驗(yàn)分析：根據(jù)碘化鉛的極限摩爾電導(dǎo)率，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量溶解飽和的懸濁液電導(dǎo)率，本實(shí)驗(yàn)可以比較精確地獲得溶度積常數(shù)=7.40×10^-9（26.5 ℃）?；瘜W(xué)手冊(cè)提供數(shù)據(jù)為7.10×10^-9（25 ℃），誤差僅偏大4.22%，故本實(shí)驗(yàn)操作方法有非常高的參考價(jià)值。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值略大于化學(xué)手冊(cè)給出的數(shù)值。造成誤差的主要原因是本次實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣溫為26.5 ℃，比手冊(cè)數(shù)據(jù)溫度25 ℃略高。在電導(dǎo)率測(cè)量中，即便溫度只高1.5 ℃，也會(huì)因?yàn)闇囟刃?yīng)造成測(cè)量數(shù)值偏大。

（五）溶解平衡的存在

繼續(xù)在上述懸濁液中測(cè)量電導(dǎo)率，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置為每隔5 s采集1次電導(dǎo)率，用滴定管在燒杯中添加蒸餾水（每次加25.00 mL），用磁力攪拌器加上玻璃棒輔助攪拌，觀察電導(dǎo)率回升到368 μS·cm^-1時(shí)添加1次蒸餾水。共添加蒸餾水3次。獲得電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的變化曲線（如圖3）。

實(shí)驗(yàn)分析：當(dāng)懸濁液中加入蒸餾水后各離子濃度迅速下降，碘化鉛離子積<，溶液部分為不飽和狀態(tài)。根據(jù)溶度積規(guī)則，沉淀的溶解平衡向溶解方向發(fā)生移動(dòng)，以達(dá)成=狀態(tài)。這一過(guò)程碘化鉛沉淀在攪拌作用下會(huì)逐漸溶解，溶液趨于飽和，離子濃度逐漸上升，表現(xiàn)為電導(dǎo)率逐漸上升。

每次加入蒸餾水后溶液電導(dǎo)率下降，下降幅度受加入蒸餾水的量與原有溶液的量之比影響。比值越大，下降越多。每次加入蒸餾水的量均為25 mL，而溶液則由75 mL變?yōu)?00 mL、125 mL。比值逐漸減小，所以電導(dǎo)率下降的幅度也逐漸減小。每次加入蒸餾水?dāng)嚢韬箅妼?dǎo)率逐漸升高，但由于懸濁液中固體的量減小、溶液的總量增加，溶解速率減慢，溶解沉淀達(dá)到飽和濃度逐漸困難，表現(xiàn)為電導(dǎo)率升高達(dá)到飽和（平衡）狀態(tài)值所需的時(shí)間增加。

（六）平衡的溫度效應(yīng)

將上述碘化鉛懸濁液加蒸餾水至400 mL，用磁力攪拌器和玻璃棒攪拌至飽和。經(jīng)沉積之后將上層澄清液200 mL倒入一個(gè)同批次同容量的燒杯，將兩個(gè)燒杯置于雙孔恒溫水浴鍋中。在兩個(gè)燒杯中分別放入電導(dǎo)率傳感器，在其中一個(gè)燒杯中再放入溫度傳感器，設(shè)置水浴鍋開始加熱，用玻璃棒在兩個(gè)燒杯中攪拌，系統(tǒng)設(shè)置為每隔0.5秒記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

結(jié)合溫度數(shù)據(jù)，繪制電導(dǎo)率數(shù)據(jù)變化曲線。

實(shí)驗(yàn)分析：與其他化學(xué)平衡一樣，難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)也是隨溫度改變而變化的。由于大多數(shù)難溶電解質(zhì)溶解與電離的總反應(yīng)是吸熱過(guò)程，所以溶度積常數(shù)是隨溫度升高而增大的。

通過(guò)澄清液升溫過(guò)程電導(dǎo)率上升的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可知溫度升高時(shí)溶液電導(dǎo)率上升并不完全是由于溶液中離子濃度增加引起的。從圖4曲線可看出，澄清液電導(dǎo)率變化曲線與溫度變化曲線幾乎平行，這是由于澄清液中水的電離、離子的活度、離子的電遷移率（淌度）都在隨著溫度的升高而增大，電導(dǎo)率也隨之增大。與澄清液相比，懸濁液電導(dǎo)率變化曲線有明顯的躍起。這是因?yàn)閼覞嵋褐羞€有離子濃度在增加的因素。溫度升高，沉淀溶解平衡向正向移動(dòng)，溶度積常數(shù)也在增大。

六、教學(xué)效果與反思

筆者進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)沒有選用學(xué)生熟悉的硫酸鋇、氯化銀作為實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象，而采用色彩驚艷的碘化鉛作為研究對(duì)象，主要是考慮到硫酸鋇、氯化銀的溶解度更小，測(cè)量其水溶液時(shí)需要的傳感器精度要求很高，使用現(xiàn)有設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用碘化鉛也可以讓學(xué)生對(duì)非AB型難溶電解質(zhì)消除陌生感，便于建構(gòu)各類沉淀物溶度積計(jì)算的模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用試劑NaS妥善處理含鉛廢液，防止環(huán)境污染，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程既能科學(xué)論證化學(xué)理論，又能保證環(huán)保無(wú)污染。

傳統(tǒng)溶解平衡實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化創(chuàng)新改進(jìn)，可以使原本抽象的化學(xué)理論轉(zhuǎn)化為直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和可靠的數(shù)據(jù)實(shí)證，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)前的變量選擇、實(shí)驗(yàn)中的過(guò)程操作、實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理。親歷實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)化學(xué)理論更加信服，批判性、創(chuàng)新性思維能力和科學(xué)探究能力得以提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 王晶，鄭長(zhǎng)龍.化學(xué)反應(yīng)原理（選擇性必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3] 王磊，陳光巨.選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

[4] 鄭曉紅.利用手持技術(shù)探究難溶電解質(zhì)的溶解平衡[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（9）：56-57.

[5] 楊玲，吳曉紅，王亞濤.借助傳感器探究難溶電解質(zhì)的溶解平衡[J].教育與裝備研究，2020，36（7）：71-73.

[6] J.A.迪安.蘭氏化學(xué)手冊(cè)[M].魏俊發(fā)，譯.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[7] 孫文東，陸嘉星.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2014.

（作者系浙江省海寧市第一中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志