运用手持技术对硫酸铝钾与氢氧化钡离子反应的探究

郝忠谦张勇张志刚

中图分类号：G688.2文献标识码：A文章编号：ISSN0257-2826（2019）10-042-02

化学是研究物质的一门科学，是在原子、分子水平上研究物质的组成、性质及变化的科学，它从宏观、微观两个角度去认识物质及其运动，宏观与微观的联系是化学不同于其他学科的特点，也是化学学科最具特征的思维方式。离子反应中离子的重组是高中化学认识和建构物质的微粒观的重要内容、热点内容。

本文旨在通过真实问题情境的创设，开展以化学数字化实验为主的实验探究活动，攻坚克难，活化思维，建构微观粒子反应模型，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神加实践能力。

【问题的提出】

离子反应是高中化学必修一模块的重要知识，也是高考必考的内容，有时还会通过图像的形式加以考查，尤其是有些混合溶液中存在两种或两种以上组成的离子，都能跟同一种反应物反应，由于滴入量的原因会存在反应竞争关系，有时还会结合反应图像加以考查，但学生并未通过察实验获得整个反应过程，给学生学习上造成了思维障碍。基于此，请写出明矾和氢氧化钡反应的化学方程式和离子方程式：1.生成溶液为中性时；2.生成沉淀质量最大时。

这道题参与反应的离子比较多，离子之间为什么能反应？发生了怎样的反应？该如何判断并书写离子方程式？都是学生较难分析和掌握的问题。对于离子反应的实质比较难以理解，同时，测定沉淀的质量也难以操作。所以，我们要借助数字化实验，探究混合溶液中离子反应本质变化。

【探究思路】

0.1mol/LKAl(SO4)2溶液PH为3.48、0.1mol/LBa(OH)2溶液PH为13.01。硫酸钾溶液PH为7，KAl(OH)4溶液PH为11.1，向1molKAl(SO4)2中滴加Ba(OH)2，生成沉淀过程中，利用Vernier滴数传感器、PH传感器，可以测定离子的比例与PH变化之间的关系。

【数字化实验探究过程】

（一）实验用品：

Vernier滴数传感器、PH传感器，磁力搅拌器，VernierLabPro数据采集器，数据采集软件（LoggerPro3.14.1），100ml烧杯，量筒，胶头滴管。

0.1mol/LKAl(SO4)2溶液、0.1mol/LBa(OH)2溶液。

（二）实验操作步骤

（1）溶液的配制

配制0.1mol/LKAl(SO4)2溶液，配制0.1mol/LBa(OH)2溶液。

（2）实验装置图

（3）实验过程

1.用移液管量取13.69毫升0.1mol/LKAl(SO4)2溶液于100ml小烧杯中。

2.将50ml0.1mol/LBa(OH)2溶液注入滴定管中。利用滴数传感器测定Ba(OH)2溶液的体积，磁力搅拌器固定转速搅拌溶液，用pH传感器测定溶液的pH变化（室温25℃,pKw=14.53）

3.开始滴定，打开“采集”按钮，采集PH变化。

【实验数据结果与分析】

经过多次实验观察，滴定过程明显得到两个突跃点，第一个突跃点（PH=7.03），消耗氢氧化钡的体积为20.54ml;第二个突跃点（PH=11.13），消耗氢氧化钡的体积为27.39ml。通过多组实验的综合分析，初步可以得出以下结论：

分析结果如下：

第一个突跃点变化可以看出：向KAl(SO4)2中滴加Ba(OH)2，生成氢氧化铝刚好完全沉淀的时候，那么这个时候观测的数据是铝离子和氢氧根的比为1:3，硫酸根离子与钡离子之比为4:3，钡离子和铝离子全部转化为沉淀，此时生成沉淀物质的量最多，溶液为硫酸钾溶液，此时溶液显中性。方程式为：

2KAl(SO4)2+3Ba(OH)2=3BaSO4↓+2Al(OH)3↓+K2SO4

2Al3++3SO42-+3Ba2++6OH-==3BaSO4↓+2Al(OH)3↓

第二个突跃点变化可以看出：继续向KAl(SO4)2中滴加Ba(OH)2，当硫酸根离子完全转化成BaSO4沉淀时，硫酸根离子和钡离子之比为1:1,铝离子和氢氧根离子之比为1:4,所以生成溶液为KAlO2溶液，生成沉淀质量最大。方程式为：KAl(SO4)2+2Ba(OH)2=2BaSO4↓+KAl(OH)4-

Al3++2SO42-+2Ba2++4OH-==2BaSO4↓+Al(OH)4-

【理论分析】

离子反应是高考的重难点和必考知识点，学生需要理解反应实质，才能够把握好离子反应的书写。在本反应中，要理解如下几点：

1.不能够大量共存的的两种离子SO42-、Ba2+必然要发生反应：SO42-+Ba2+==BaSO4↓。

2.不能够大量共存的Al3+、OH-够会因为滴加顺序不同即反应的物质的量配比不同而发生不同的反应。

Al3++3OH-==Al(OH)3↓

Al3++4OH-==Al(OH)4-

依据KAl(SO4)2、Ba(OH)2，的组成，当向KAl(SO4)2溶液中慢慢滴加Ba(OH)2时，便依次出现两个不同的离子反应方程式：2Al3++3SO42-+3Ba2++6OH-==3BaSO4↓+2Al(OH)3↓

Al3++2SO42-+2Ba2++4OH-==2BaSO4↓+Al(OH)4-

【优点】

传统分析方法为：

传统实验不好理解反应的实质过程，对于连续的转化缺乏直观的认识，而如果用数字化实验分析，既可以测定反应物的物质的量之比与生成物的关系，同时，又能通过PH值的变化理解离子反应的本质。

【意义】

1.通过数字化实验探究离子反应的本质变化，测定混合溶液pH的变化曲线不仅佐证可视的实验现象，同时也将我们难以感知的离子反应本质过程直观的呈现了出来，落实了宏观辨析和微观探析化学学科核心素养。

2.实验探究过程中，学生对离子反应的本质更加清楚，离子发生反应本质有了直观的认识，而且通过研究，提升学生证据推理能力，有助于培养学生严谨的科学态度和不断追求真理的科研精神。

【参考文献】

[1].国家教育部制定:《高中化学课程标准》.人民教育出版社，2017年.

[2].夏建华.数字化实验与中学化学教学深度融合[M].时代出版传媒股份有限公司安徽教育出版社,2016

[3].钱扬义.手持技术在化学实验教学中的应用与建模研究[M].科学出版社，2009

[4].熊言林,张勇.创设实验教学情境优化学生思维品质[J].中国教育学刊,2009(06)

[5].张勇,袁廷新.新课程化学实验功能辨析[J].中国教育学刊,2009(02)

[6]吴晓红,任斌,肖敏,马金刚.利用手持技术探究碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸的反应本质[J]教学仪器与实验.2015(31)

[7]谭宗俊,向雪皑.碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应实验的再研究[J]中学化学.2010(5)

[8]马宏佳.化学数字化实验的理论与实践[M]人民教育出版社.2016