基于化学数字化实验

探究离子反应发生的条件教学设计

摘要：本文主要阐述了采用稀Ba(OH)₂溶液中滴加稀H₂SO₄测反应过程中电导率的变化、稀H₂SO₄中加入Na₂CO₃粉末测反应过程中pH变化和CO₂含量变化两个数字实验来引导学生逐步探究复分解反应型的离子反应发生的条件的教学过程，体现了《普通高中化学课程标准》（2017年版2020年修订）中在实验探究为主的课堂教学活动中落实学生的化学学科核心素养的培养的教学要求。

关键词：数字实验 离子反应 探究性教学 核心素养          

一、教学分析

1. 教学内容分析

义务教育教科书《化学》九年级下册（人民教育出版社2012年10月第1版）在第74页定义了复分解反应，即在溶液中，两种化合物相互交换成分生成另外两种化合物的反应。在第75页通过CuSO₄溶液与NaOH溶液反应、CuSO₄溶液与BaCl₂溶液反应、中和反应、碳酸盐与稀盐酸反应等各种反应的共同现象的归纳，得出酸、碱、盐之间发生复分解反应的条件：生成物中有沉淀或有气体或有水生成时，复分解反应才可以发生。^[1]

普通高中教科书《化学》必修第一册（人民教育出版社2019年6月第1版）第一章第二节离子反应基于学生在初中已经学习过复分解反应发生的条件，对于复分解反应型离子反应发生的条件也是直接归纳概括得出的。^[2]

2. 课标要求解读

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）中与“离子反应发生的条件”相关的“内容要求”“学业要求”和教学提示如表1所示。

表1 课程标准中的“内容要求”“学业要求”和“教学提示”^[3]

与课标要求相比，普通高中教科书《化学》必修第一册（人民教育出版社2019年6月第1版）第一章第二节离子反应没有提供通过实验事实认识离子反应及其发生的条件的素材，不利于开展实验探究活动。所以，根据课标要求，需要通过合适的学习情境的营造，在充分进行实验探究的基础上，通过一连串挑战性问题的解决，引导学生基于实验事实逐步掌握离子反应的实质、复分解反应型（离子互换型）的离子反应发生的条件及其应用。

离子反应的实质是某些离子的减少。通过化学实验探究离子反应发生的条件应该基于离子反应的实质进行实验方案设计，通过常规实验证明在溶液中某种离子减少是比较繁琐的。基于化学数字化实验能直接呈现实验过程中的数据变化并自动形成曲线，具有直观、“可视”的优点，采用稀Ba(OH)₂溶液中滴加稀H₂SO₄测反应过程中电导率的变化、稀H₂SO₄中加入Na₂CO₃粉末测反应过程中pH变化和CO₂含量变化两个数字实验来探究复分解反应型的离子反应发生的条件，从而达到提高教学效率，增强教学效果的目的。

3. 教学目标

⑴通过实验事实，认识离子反应，能界定离子反应。

⑵在实验探究的基础上，认识离子反应的实质、复分解反应型的离子反应发生的条件。

二、教学过程

1. 实验用品

试剂：Ba(OH)₂溶液、稀H₂SO₄ 、Na₂CO₃溶液、稀盐酸 、 NaOH溶液、_、BaCl₂溶液、酚酞、广泛pH试纸

仪器：250mL烧杯、威尼尔电导率传感器、威尼尔pH传感器、威尼尔CO₂传感器、滴数传感器、磁力搅拌器、试管、胶头滴管、井穴板、试管架

2. 课堂教学

环节一：创设情境

已知：电解质溶液的导电能力可以用电导率来衡量，电导率越大，溶液的导电能力越强。在稀溶液中，离子浓度越大，电导率越大。溶液的电导率可以用电导率传感器测定。

实验：用电导率传感器测稀氢氧化钡溶液的电导率、用电导率传感器测稀硫酸的电导率、测稀氢氧化钡溶液中滴加稀硫酸过程中电导率的变化并以曲线的形式呈现。

数据和曲线：0.01mol/LBa(OH)₂的电导率为3998uS/cm、0.1mol/L H₂SO₄的电导率为23684uS/cm。

图1：100 mL 0.01 mol/LBa(OH)₂溶液中滴加0.1 mol/L H₂SO₄的电导率变化曲线

环节二：通过实验探究离子反应发生的条件。

提问：稀氢氧化钡溶液和稀硫酸的电导率都很大，为什么？

学生：思考、交流、表达，书写氢氧化钡和硫酸的电离方程式。

（设计意图：通过学生的表现评价学生的学习能力，离子观的形成情况和电离方程式的掌握情况。

帮助学生建立稀溶液中电导率与离子浓度的关系，为接下来的实验探究作铺垫。）

提问：向稀氢氧化钡溶液中滴加稀硫酸，有哪些现象？

学生：归纳实验现象（有白色沉淀生成，溶液的电导率先减小后增大）。

追问：电导率逐渐减小说明了什么？

学生：说明离子浓度在不断减小。

追问：那么，是什么原因引起离子浓度不断减小呢？

学生：结合实验现象思考、回答（是因为Ba²⁺和SO₄^2-反应了）。

追问：离子浓度减小仅仅是因为Ba²⁺和SO₄^2-反应生成硫酸钡吗？

学生：学生回答“H⁺和OH^-离子也反应了”

追问：你们看到氢离子和氢氧根离子反应了吗？它们两者反应的证据在哪里？请大家仔细观察曲线，思考后举手回答。

学生：独立思考、举手表达（教师引导学生关注曲线的最低点，即电导率几乎为0的点）。

图2：100 mL 0.01 mol/LBa(OH)₂溶液中滴加0.1 mol/L H₂SO₄的电导率变化曲线

（设计意图：引导生生互评，教师就学生的观察能力、证据推理能力进行评价。落实“证据推理”这一化学学科核心素养的培养）

小结：通过上述实验，我们知道了氢氧化钡和硫酸反应实际上是它们电离出的离子在反应，像这样有离子参加的化学反应称为离子反应。通过上述实验我们还知道通过离子相遇形成沉淀（入地），离子相遇生成水（化成水）就可以判断离子之间发生了反应。因为通过形成沉淀、生成水可以使某些离子减小。当某些离子减少了，我们就可以判断离子之间发生反应了。

提问：依据什么判断稀H₂SO₄和Na₂CO₃溶液混合能发生反应？是哪些离子在反应？请大家思考并填写表二。

表2：预测稀硫酸中加入碳酸钠溶液的现象和参加反应的离子

学生：可能的回答：通过产生气泡判断有反应发生，预测是H⁺和CO₃^2-反应。

任务：请利用所给的药品和仪器，设计实验方案，证明H⁺参加反应了。并填写表三。

试剂：Na₂CO₃溶液、稀H₂SO₄ 、广泛pH试纸；

仪器：试管、胶头滴管、井穴板

表3：设计证明氢离子参与反应的实验方案

学生：同组学生讨论、确定实验方案。学生可能的实验方案：测反应前后溶液的pH。

学生：按实验方案进行实验，离子方程式进行解释或得出结论。

学生：反应后相对于反应前，溶液pH升高，说明H⁺浓度减小，说明H⁺参加反应了。

（设计意图：训练和培养学生的实验设计能力、动手实验能力和实验探究能力）

追问：反应后溶液的pH升高，说明H⁺浓度减小。那么H⁺浓度减小一定就是H⁺参加反应造成的吗？有没有其它原因会造成H⁺浓度减小？如何证明H⁺浓度减小一定与H⁺参加反应有关？

学生：深入思考，讨论、交流。

学生可能提供的实验方案：

⑴向稀硫酸中加入碳酸钠溶液后，稀释作用也会使H⁺浓度减小。可以进行空白对照实验，修正稀释产生的影响。即向稀硫酸中加入与碳酸钠溶液体积相等的蒸馏水，搅拌后测其pH小于加入碳酸钠溶液后的pH，说明H⁺参加反应了……

⑵向稀硫酸中加入过量碳酸钠溶液，充分反应后测溶液的pH大于7，说明H⁺浓度减小不仅仅是稀释引起的，可以说明H⁺参加反应了。

……

教师补充：向稀硫酸中加入碳酸钠粉末，然后测溶液pH的变化，也可以消除稀释对H⁺浓度减小产生的影响。

播放视频：向稀硫酸中加入碳酸钠粉末，同时用pH传感器和CO₂传感器测反应过程中溶液pH的变化和CO₂含量的变化的数字实验视频。

图3：稀硫酸中加碳酸钠固体CO₂含量变化和pH变化

分析：由于加入的是碳酸钠粉末，可以忽略对稀硫酸体积的影响，因此，上述数字实验曲线中的pH升高就表示H⁺参与反应了。同时，CO₂传感器检测到有CO₂气体生成，不难推出CO₃^2-参加反应。

结论：通过上述一系列实验证明稀硫酸和碳酸钠溶液的反应实际上是H⁺和CO₃^2-反应生成CO₂和H₂O。

（设计意图：发展学生的批判思维等高阶思维，培养学生合作学习、进行反思的学习习惯。）

小结：通过上述实验，我们再次感受到电解质在溶液中进行的反应就是离子反应。

通过上述实验我们还了解到，通过生成气体也可以使某些离子减少，从而确定有离子反应发生。

通过上述的一系列实验事实，我们可以得出离子反应的实质是某些离子的减少，我们还可以得出复分解型的离子反应发生的条件是：生成气体（上天）、生成沉淀（入地）和生成水（化成水）。这也是我们判断发生离子反应的依据。

环节三：本课小结

本节课我们主要通过实验探究的方式，基于实验事实归纳了离子反应的实质和复分解反应型（也叫离子交换型）的离子反应发生的条件，依据离子反应发生的条件，我们可以判断发生反应的离子，并结合参加反应的离子和生成的产物写出相应的离子方程式。当然，也就知道了离子的相应性质。不同的离子有不同的个性，它们的个性有哪些应用呢？请继续关注下节课的内容。

三、教学评价

本教学片段根据课标要求，以两个化学数字化实验设置教学情境，带领学生经历高水平的实验探究活动。

本教学片段根据科学探究的一般过程设置教学环节，充分利用化学数字化实验直观、“可视”的特点，将有些比较隐蔽的现象转化成数据、曲线等，基于曲线表征和数据化的证据，通过一连串的问题来启发、引导学生深度参与实验探究活动，经历收集信息、加工信息，进行证据推理和建构模型以及批判反思的过程，在学习离子反应的实质和离子反应发生的条件这两个核心知识的同时，培养和提升学生的实验探究能力、合作学习能力、交流与表达的能力及以批判性思维为特征的高阶思维能力，落实对宏观辨识与微观探析、变化观念、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等化学学科核心素养的培养。

参考文献

[1] 人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心. 义务教育教科书《化学》九年级下册：生活中常见的盐.北京：人民教育出版社，2012：10

[2] 人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书《化学》必修第一册：离子反应.北京：人民教育出版社，2019：6

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准. 北京：人民教育出版社，2020：5