摘要： 應(yīng)用不銹鋼寬溫度傳感器和電導(dǎo)率傳感器可以測量溶液的沸點和電導(dǎo)率相對于純水的變化量。用溶液沸點升高的數(shù)值可以反推溶液中分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度。在信息技術(shù)支持下，根據(jù)溶質(zhì)在溶液中微粒數(shù)量的改變情況，解析溶質(zhì)在溶液中加熱而非通電即可電離的自發(fā)行為，有利于從本質(zhì)上解釋電離。

關(guān)鍵詞：電離;沸點;電導(dǎo)率;數(shù)字化實驗

一、問題的提出

電離需要通電嗎？1884年，法拉第在《關(guān)于電的實驗研究》一文中第一次使用“電解質(zhì)”“離子”等術(shù)語。早在19世紀(jì)初期，尼科爾森和卡里斯?fàn)栆呀?jīng)成功完成水的電解實驗，之后不久戴維也成功電解了熔融的氫氧化鈉和氫氧化鉀。當(dāng)時科學(xué)界普遍認(rèn)為^[1]，電解質(zhì)只有在外加電壓的作用下才能解離成正負(fù)離子。

1882—1887年，阿倫尼烏斯致力于研究電離理論?；趯λ?、堿、鹽稀溶液在滲透壓、沸點、蒸氣壓方面出現(xiàn)偏差情況的分析和對這些溶液電導(dǎo)率的測定，阿倫尼烏斯創(chuàng)造性地提出溶液電離理論^[2]。在《關(guān)于溶質(zhì)在水中的離解》一文中闡述了電離學(xué)說的基本觀點“由于溶劑的作用，電解質(zhì)在水中自動解離為帶相反電荷的正負(fù)離子”。人教版化學(xué)教材對電解質(zhì)的定義如下：在水溶液里或熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姷幕衔锝凶麟娊赓|(zhì)^[3]。此定義從導(dǎo)電性角度規(guī)定了電解質(zhì)的屬性，讓人們透過電解質(zhì)溶液可以導(dǎo)電的表層現(xiàn)象去認(rèn)識電解質(zhì)在水溶液中離解的實質(zhì)?？茖W(xué)家們在電離理論的爭論與探索中揭示了科學(xué)規(guī)律，其實，中學(xué)生思維能力提升與科學(xué)進(jìn)步的規(guī)律是一致的。教學(xué)中，如果教師沒有從本質(zhì)上解釋電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的原因，將會對學(xué)生正確理解電解質(zhì)概念造成障礙。學(xué)生在書寫電離方程式時會錯誤地加上“通電”條件。課堂上，使學(xué)生學(xué)會從微觀角度理解電解質(zhì)的本質(zhì)屬性是知識與技能維度的教學(xué)難點。

二、設(shè)計實驗方案

（一）電導(dǎo)率的測量

分別配制100 mL 0.5 mol/L、1 mol/L和2 mol/L的氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液、蔗糖溶液、葡萄糖溶液、草酸溶液待用。說明：受草酸溶解度的限制，沒有配制 2 mol/L的草酸溶液。利用數(shù)據(jù)采集器結(jié)合電導(dǎo)率傳感器測量幾種溶液的電導(dǎo)率。

（二）沸點的測量

分別配制100 mL 0.5 mol/L和2 mol/L氯化鈉、氫氧化鈉、蔗糖、葡萄糖、草酸溶液，待用。利用數(shù)據(jù)采集器和不銹鋼寬溫度傳感器測量溶液溫度變化情況，從而得到溶液的沸點。為保證加熱過程中溶液濃度基本不變，使用冷凝回流裝置分別對溶液加熱（如圖1）。

三、實驗結(jié)果與討論

（一）溶液電導(dǎo)率的測量結(jié)果

室溫（22 ℃）環(huán)境下，用數(shù)據(jù)采集器和電導(dǎo)率傳感器分別測量0.5 mol/L、1 mol/L和2 mol/L氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液、蔗糖溶液、葡萄糖溶液、草酸溶液的電導(dǎo)率，結(jié)果如圖2 所示。實驗結(jié)果和預(yù)期一致：相同濃度時強電解質(zhì)電導(dǎo)率大，弱電解質(zhì)電導(dǎo)率小，非電解質(zhì)和純水的電導(dǎo)率相當(dāng)。三種電解質(zhì)溶液（氯化鈉、氫氧化鈉、草酸）的濃度與電導(dǎo)率有關(guān)，濃度越大電導(dǎo)率越大。兩種非電解質(zhì)溶液（蔗糖、葡萄糖）的濃度對電導(dǎo)率幾乎沒有影響。

（二）溶液沸點的測量結(jié)果

1.非電解質(zhì)溶液的沸點變化

用數(shù)據(jù)采集器和不銹鋼寬溫度傳感器測量0.5 mol/L和2 mol/L非電解質(zhì)溶液（蔗糖和葡萄糖）的沸點，結(jié)果見圖3和圖4。

從圖3可以看出純水的沸點為98. 6 ℃，2 mol/L蔗糖溶液的沸點為99.7 ℃，2 mol/L葡萄糖溶液的沸點為99.6 ℃。2 mol/L蔗糖溶液的沸點較純水升高1.1 ℃，2 mol/L葡萄糖溶液的沸點較純水升高1.0 ℃。從圖4可以看出0.5 mol/L蔗糖溶液的沸點為98.8 ℃，0.5 mol/L葡萄糖溶液的沸點為98.8 ℃。0.5 mol/L蔗糖溶液和葡萄糖溶液的沸點均較純水升高0.2 ℃。

2.弱電解質(zhì)溶液的沸點變化

用數(shù)據(jù)采集器結(jié)合不銹鋼寬溫度傳感器測量0.5 mol/L和2 mol/L弱電解質(zhì)溶液（草酸）的沸點，結(jié)果見圖5和圖6。

從圖5可以看出2 mol/L草酸溶液的沸點為99.8 ℃，沸點較純水升高1.2 ℃。從圖6可以看出0.5 mol/L草酸溶液的沸點為99 ℃，沸點較純水升高0.4 ℃。

3.強電解質(zhì)溶液的沸點變化

用數(shù)據(jù)采集器和不銹鋼寬溫度傳感器測量0.5 mol/L和2 mol/L強電解質(zhì)溶液（氯化鈉和氫氧化鈉溶液）的沸點，結(jié)果見圖7和圖8。

從圖7可以看出2 mol/L氯化鈉溶液和2 mol/L氫氧化鈉溶液的沸點為100.5 ℃，兩種2 mol/L的強電解質(zhì)溶液沸點均較純水高1.9 ℃。

從圖8可以看出0.5 mol/L氯化鈉溶液和0.5 mol/L氫氧化鈉溶液的沸點為99.2 ℃，兩種0.5 mol/L的強電解質(zhì)溶液沸點較純水高0.6 ℃。

（三）溶質(zhì)的微粒數(shù)量關(guān)系

根據(jù)溶液的依數(shù)性^[4]，可知溶液沸點的升高與分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度成正比（見公式1）。

Δ= （公式1）

式中，Δ是沸點升高值，是溶液中分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度，是水的沸點升高常數(shù)，=0.513 K·kg·mol^-1。

用沸點升高值反推溶液中分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度=Δ/。假設(shè)溶液的密度為1 g/mL，分散微粒的質(zhì)量摩爾濃度（）近似等于分散微粒的物質(zhì)的量濃度（）。將分散微粒的物質(zhì)的量濃度（）除以溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度（）定義為，=/。筆者用值討論溶質(zhì)在溶液中微粒數(shù)量的變化，從而討論溶質(zhì)在溶液中的電離行為。具體數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表1。

從實驗結(jié)果可以看出：AB型強電解質(zhì)（氯化鈉、氫氧化鈉）形成溶液后，= 2.1，即溶液中分散微粒的數(shù)量是溶質(zhì)數(shù)量的2.1倍。弱電解質(zhì)（草酸）形成溶液后，= 1.4，即溶液中分散微粒的數(shù)量是溶質(zhì)數(shù)量的1.4倍。非電解質(zhì)（蔗糖、葡萄糖）形成溶液后，= 0.9，即溶液中分散微粒的數(shù)量與溶質(zhì)數(shù)量近似相等。沸點升高值較小，實驗存在一定誤差。在誤差容許范圍內(nèi)，在未通電的情況下，強電解質(zhì)完全電離，弱電解質(zhì)部分電離，非電解質(zhì)不電離。此實驗結(jié)果與電導(dǎo)率實驗結(jié)果一致。

四、傳感器教學(xué)啟示

（一）實現(xiàn)電離過程自發(fā)性的科學(xué)驗證

對于電離過程自發(fā)性的探索，過去多采用測定溶液的電導(dǎo)率的方法進(jìn)行實驗。測定電導(dǎo)率過程中，有電流通過體系。此次實驗，筆者通過測量溶液沸點與純水沸點的差值，反推得到溶液中分散微粒的數(shù)量。實驗過程中，僅僅對體系加熱而沒有通電，很好地向?qū)W生展示電離是自發(fā)的過程，電離過程不需要通電這一事實。由于沸點升高數(shù)值較小，傳統(tǒng)的溫度計因精確度低且無法連續(xù)測量，因此很難準(zhǔn)確獲取沸點的變化量。數(shù)字化實驗的優(yōu)勢在于通過傳感器實現(xiàn)連續(xù)測量和信號放大。此次實驗中，筆者用溫度傳感器連續(xù)記錄溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，利用拐點順利找到了較為準(zhǔn)確的沸點數(shù)值。

（二）幫助學(xué)生從微觀上理解宏觀概念

電離需要通電嗎？以往，只能依靠文字闡述和符號分析來回答這個問題。數(shù)字化實驗的研究和應(yīng)用突破了傳統(tǒng)概念原理教學(xué)的局限。將數(shù)字化實驗引入化學(xué)原理教學(xué)，有利于教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗圖像和實驗過程的變化進(jìn)行清晰地辨識，為學(xué)生從反應(yīng)體系中微觀粒子數(shù)量變化的角度探析反應(yīng)原理提供宏觀認(rèn)知的感性支撐。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出“普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)”^[5]。從這一目標(biāo)出發(fā)，教學(xué)中教師可以借助數(shù)字化實驗補足更多宏觀的事實性材料，實現(xiàn)抽象原理的可視化，幫助學(xué)生更好地從微觀上理解并探究抽象的概念與原理。在教學(xué)中發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實驗的深度融合^[5]，可在“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等多個維度發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

注：本文系中國化學(xué)會化學(xué)教育委員會“十三五”規(guī)劃2018年規(guī)劃課題“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)項目式教學(xué)的實踐研究”（課題編號：HJ2018-0023）的研究成果之一。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張蕊，張寧，許燕紅.立足化學(xué)史，突破“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”教學(xué)難點[J].化學(xué)教學(xué)，2017（4）：39-44.

[3] 王晶，畢華林.普通高中教科書化學(xué)必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4] 華彤文，王穎霞，卞江，陳景祖.普通化學(xué)原理（第四版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[5] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) ：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

（作者佘平平、劉然系北京市第二中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志