摘 要： 分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在“沉淀的轉(zhuǎn)化”教學(xué)中的薄弱之處，運(yùn)用鈣離子濃度傳感器探究硫酸鈣沉淀轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀的過(guò)程。通過(guò)軟件將鈣離子濃度變化的數(shù)據(jù)繪制成曲線，展現(xiàn)硫酸鈣沉淀溶解平衡的破壞、移動(dòng)、建立新平衡的全過(guò)程，揭示沉淀溶解平衡移動(dòng)和沉淀轉(zhuǎn)化的原理，并為該內(nèi)容的教學(xué)提出建議。

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)探究； 鈣離子濃度傳感器； 沉淀溶解平衡

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）11-0080-03

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

目前正在使用的四個(gè)版本（人教版、魯科版、蘇教版、滬科版）《化學(xué)選擇性必修1·化學(xué)反應(yīng)原理》教材中，都按照可逆反應(yīng)的化學(xué)平衡、弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類(lèi)的水解平衡和沉淀溶解平衡的順序編排。學(xué)生在學(xué)習(xí)沉淀溶解平衡之前，已經(jīng)能運(yùn)用平衡移動(dòng)原理對(duì)一些簡(jiǎn)單的平衡問(wèn)題進(jìn)行分析和解釋，具備了一定的平衡思想。

在沉淀溶解平衡的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生容易理解難溶電解質(zhì)在水溶液中形成沉淀溶解平衡體系的過(guò)程，但當(dāng)需要應(yīng)用沉淀溶解平衡移動(dòng)的原理時(shí)，便會(huì)遇到困難，比如解釋“沉淀的轉(zhuǎn)化”問(wèn)題。教師常會(huì)演示AgCl轉(zhuǎn)化為AgI的實(shí)驗(yàn)，試圖提供實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)，幫助學(xué)生進(jìn)行推理，但教學(xué)效果不很明顯。這可能是由于學(xué)生從該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象中容易得知平衡移動(dòng)的結(jié)果（白色的AgCl沉淀變?yōu)辄S色的AgI沉淀），但不易獲取破壞平衡的因素（溶液中銀離子濃度的減少），導(dǎo)致無(wú)法順利地將化學(xué)平衡移動(dòng)原理遷移至沉淀溶解平衡中來(lái)。

本文設(shè)計(jì)CaSO4沉淀轉(zhuǎn)化為CaCO3沉淀的實(shí)驗(yàn)，即在CaSO4懸濁液中滴加Na2CO3溶液，運(yùn)用鈣離子濃度傳感器測(cè)出沉淀轉(zhuǎn)化過(guò)程中鈣離子濃度的變化，直觀地展示出CaSO4沉淀溶解平衡破壞、平衡移動(dòng)、達(dá)到新的平衡直至CaSO4完全轉(zhuǎn)化為CaCO3等過(guò)程，提供給學(xué)生完整的證據(jù)鏈，幫助學(xué)生運(yùn)用平衡移動(dòng)的原理進(jìn)行分析、推理和解釋，深化認(rèn)識(shí)沉淀溶解平衡的移動(dòng)導(dǎo)致沉淀轉(zhuǎn)化的原理。

2 問(wèn)題解決的思路

在難溶電解質(zhì)的沉淀平衡體系中，用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的手段觀察到破壞平衡的因素是有難度的，因?yàn)殡y溶電解質(zhì)在水中的溶解度本身就很小，對(duì)應(yīng)的離子濃度非常小，難以呈現(xiàn)出明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此借助傳感器和運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)可以將原本“看不見(jiàn)”的量轉(zhuǎn)化為數(shù)字或曲線，是解決該難點(diǎn)的思路。

錢(qián)揚(yáng)義等基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)及自動(dòng)生成曲線的技術(shù)背景，提出了化學(xué)“曲線表征”的定量分析方法，構(gòu)建了“四重表征”教學(xué)模式，包括宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征、曲線表征［1］。運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，在原有的“宏-微-符”的基礎(chǔ)上加入了“曲線表征”后，能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上理解概念、原理和反應(yīng)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知方式的提升。

杜博等運(yùn)用pH傳感器探究氫氧化鎂處理印染廢水的原理，以此為情境設(shè)計(jì)了沉淀溶解平衡的教學(xué)案例。案例中教師用pH傳感器測(cè)出硫酸滴入氫氧化鎂懸濁液過(guò)程中pH的變化并繪制pH變化曲線，學(xué)生從曲線中觀察到加入硫酸后pH先減小后增大，然后推理得出氫氧化鎂溶解平衡正向移動(dòng)，深化了對(duì)于沉淀溶解平衡的理解［2］。

受上述案例的啟發(fā)，數(shù)字化技術(shù)改進(jìn)沉淀溶解平衡實(shí)驗(yàn)用于教學(xué)，需要繪制出一條有教學(xué)價(jià)值的曲線。其中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是“選擇怎樣的沉淀溶解平衡體系”。該體系中難溶電解質(zhì)解離出的離子應(yīng)是常見(jiàn)的，才能被常用的傳感器測(cè)出，如pH、鈣離子、氯離子濃度傳感器等。該難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)不能太小，否則解離出的離子濃度太小也無(wú)法被傳感器測(cè)得。此外該難溶電解質(zhì)最好符合安全易得等條件。這些考慮都是為了能夠?qū)⒏倪M(jìn)的實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)中?；谝陨峡紤]，本研究選擇CaSO4沉淀溶解平衡體系，通過(guò)滴加Na2CO3溶液將CaSO4轉(zhuǎn)化為CaCO3。該過(guò)程中鈣離子濃度的變化能被傳感器測(cè)得，詳見(jiàn)下文實(shí)驗(yàn)原理和可行性分析。本實(shí)驗(yàn)中的CaSO4、 Na2CO3、 CaCO3均為常見(jiàn)試劑，適合課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 實(shí)驗(yàn)原理和可行性分析

查閱教材［3］中提供的常見(jiàn)難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)（25℃）：Ksp（CaCO3）=2.8×10-9和Ksp（CaSO4）=4.9×10-5。

依據(jù)CaCO3（s）Ca2+（aq）+CO2-3（aq），可知Ksp（CaCO3）=c（Ca2+）·c（CO32-）。

由此可計(jì)算出25℃的碳酸鈣懸濁液中鈣離子的濃度為：

c（Ca2+）=Ksp（CaCO3）=2.8×10-9=5.3×10-5mol/L（折合為2.1mg/L）

同理可計(jì)算出25℃的硫酸鈣懸濁液中鈣離子的濃度為：

c（Ca2+）=Ksp（CaSO4）=4.9×10-5=7×10-3mol/L（折合為280mg/L）

采用Vernier公司生產(chǎn)的無(wú)線鈣離子濃度傳感器，其量程為1～40000mg/L（或ppm），校準(zhǔn)后的精確度為10mg/L（或ppm）。由理論計(jì)算和傳感器的指標(biāo)可知：當(dāng)硫酸鈣沉淀轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀時(shí)，溶液中的鈣離子濃度會(huì)明顯變小且能夠被傳感器測(cè)得。

4 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：Vernier無(wú)線鈣離子濃度傳感器、電腦、磁力攪拌器（帶攪拌子）、100mL燒杯、鐵架臺(tái)、電子天平、100mL量筒等

試劑：蒸餾水、二水合硫酸鈣（AR）、飽和碳酸鈉溶液

5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

5.1 傳感器的準(zhǔn)備

先用蒸餾水清洗鈣離子濃度傳感器的探頭，用濾紙吸干探頭上殘留的蒸餾水。然后用10mg/L和1000mg/L的氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液通過(guò)兩點(diǎn)法校準(zhǔn)鈣離子濃度傳感器。最后再用蒸餾水清洗鈣離子濃度傳感器的探頭，用濾紙吸干探頭上殘留的蒸餾水，待用。

5.2 設(shè)置鈣離子物質(zhì)的量濃度的計(jì)算欄

Vernier無(wú)線鈣離子濃度傳感器配套軟件Vernier Graphical Analysis中鈣離子濃度傳感器讀數(shù)的單位是mg/L，可通過(guò)設(shè)置新的計(jì)算欄將讀數(shù)單位換算為mol/L，計(jì)算欄中的換算公式：鈣離子物質(zhì)的量濃度=0.000025×鈣離子濃度傳感器讀數(shù)。

5.3 配制硫酸鈣懸濁液

用電子天平稱量0.5g二水合硫酸鈣，加入100mL燒杯中，加入攪拌子。用量筒量取100mL蒸餾水，加入燒杯中。

5.4 測(cè)量鈣離子濃度的變化

搭建實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。打開(kāi)攪拌器，待電腦上所示讀數(shù)穩(wěn)定后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)繪制鈣離子濃度變化的曲線。向硫酸鈣懸濁液中滴加3滴飽和碳酸鈉溶液，觀察鈣離子濃度的變化。待讀數(shù)穩(wěn)定后，再滴加足量碳酸鈉溶液（1滴管），觀察鈣離子濃度的變化。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得一組鈣離子濃度變化的曲線如圖2所示，該組實(shí)驗(yàn)的溫度為22℃。

AB段是硫酸鈣懸濁液中鈣離子濃度，平均值為0.0086mol/L（347.62mg/L）。B點(diǎn)時(shí)刻為向硫酸鈣懸濁液中滴加3滴飽和碳酸鈉溶液，由于鈣離子和碳酸根離子結(jié)合生成更難溶的碳酸鈣，鈣離子濃度大幅下降。CD段由于硫酸鈣溶解平衡被打破，溶解平衡正向移動(dòng)，鈣離子濃度逐漸增大，至DE段達(dá)到新的平衡狀態(tài)。E點(diǎn)時(shí)刻為向該懸濁液中加入足量碳酸鈉溶液，鈣離子濃度大幅下降，F(xiàn)點(diǎn)時(shí)鈣離子濃度為0.00003mol/L（1.25mg/L），此時(shí)硫酸鈣幾乎完全轉(zhuǎn)化為碳酸鈣。實(shí)驗(yàn)后肉眼可見(jiàn)燒杯中白色沉淀的量明顯比實(shí)驗(yàn)前有所增加。

曲線中AB段和DE段理應(yīng)是平直的，但大量實(shí)驗(yàn)中得到數(shù)據(jù)都略有波動(dòng)，推測(cè)是由于攪拌懸濁液對(duì)傳感器讀數(shù)造成的影響。

7 教學(xué)中的運(yùn)用

人教版教材中提供了沉淀轉(zhuǎn)化在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的情境：為了除去鍋爐水垢中含有的硫酸鈣，可以先用碳酸鈉溶液處理，使硫酸鈣轉(zhuǎn)化為疏松、易溶于酸的碳酸鈣，然后用酸除去［4］。在教學(xué)中以此為情境，布置活動(dòng)任務(wù)——解釋該除垢方法的原理。活動(dòng)中可結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和曲線（圖2中AB段硫酸鈣達(dá)到沉淀溶解平衡、BC段平衡破壞、CD段平衡移動(dòng)、DE段達(dá)到新的平衡，EF段平衡完全破壞），設(shè)計(jì)以下六個(gè)問(wèn)題供學(xué)生思考和交流：（1）AB段硫酸鈣懸濁液是否達(dá)到了沉淀溶解平衡狀態(tài)？（2）BC段鈣離子的濃度為什么下降？發(fā)生了什么反應(yīng)？（3）BC段硫酸鈣的沉淀溶解平衡是否被破壞？（4）CD段鈣離子的濃度為什么會(huì)上升？（5）DE段沉淀的組成是什么？（6）F點(diǎn)時(shí)沉淀的組成是什么？其中問(wèn)題（2）和（3）能夠引導(dǎo)學(xué)EOvvA6CBboyR94WOWmfokFKgxa+pVnzH3cSz7pMOFrk=生分析BC段曲線變化的原因，找到破壞該平衡的因素——鈣離子濃度的減小，遷移解決了AgCl轉(zhuǎn)化為AgI的實(shí)驗(yàn)中銀離子濃度變化不能可視化的難點(diǎn)。EF段的圖像既能解決學(xué)生常提出的疑惑：硫酸鈣能否完全轉(zhuǎn)化為碳酸鈣？還能讓學(xué)生感悟到平衡移動(dòng)是有條件的，極端改變條件會(huì)導(dǎo)致平衡完全破壞。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)定的硫酸鈣沉淀轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀過(guò)程中鈣離子的濃度數(shù)據(jù)，能幫助學(xué)生運(yùn)用離子反應(yīng)、沉淀溶解平衡移動(dòng)的原理解釋鈣離子濃度發(fā)生變化的原因，突破了“沉淀轉(zhuǎn)化”教學(xué)中的難點(diǎn)，達(dá)成了理解沉淀轉(zhuǎn)化原理的教學(xué)目標(biāo)，有益于促進(jìn)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”等學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］王立新， 錢(qián)揚(yáng)義， 蘇華虹， 陳博殷， 梁宏宇. 手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與化學(xué)教學(xué)的深度融合： 從“研究案例”到“認(rèn)知模型”——概念認(rèn)知模型的建構(gòu)［J］. 遠(yuǎn)程教育雜志， 2018， （4）： 104～112.

［2］杜博， 沈子稚， 肖艷. 基于“證據(jù)推理”素養(yǎng)的沉淀溶解平衡教學(xué)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （6）： 61～62.

［3］

北京師范大學(xué)等. 無(wú)機(jī)化學(xué)（第五版上冊(cè)）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2020： 9.

［4］

王晶主編.普通高中教科書(shū)·化學(xué)選擇性必修1·化學(xué)反應(yīng)原理［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 5.