基于手持技术的化学数字化实验探究

摘要

运用多信道传感器技术，将H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应过程中的电导率、pH及溶液中CO₂含量进行数字化表征，并相互验证，深入探究并分析其原理，既可帮助学生更好地理解离子反应的过程、本质和特点，又能综合培养学生的探究精神和实验操作能力。

Graphical abstract

关键词

离子反应 / 多信道 / 传感器 / 手持技术 / 数字化 / H₂SO₄ / Ba（OH）₂ / 微观变化

本实验选取的两种溶液分别是H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液，在课堂教学实践中，H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应的实验现象虽然明显，但对H₂SO₄与Ba（OH）₂反应的实质、两者滴加顺序对反应过程是否有影响、反应过程中微观变化如何等问题，教师通常只是以动画演示或示意图的形式进行讲解，缺乏直观佐证，学生对其反应过程本质及特点的理解就成了一个难点。梳理近10年数字化实验的部分论文发现^［1-3］，国内对数字化实验的整体研究在许多方面已形成一定的规模。采用多信道传感器技术，对H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应过程中的电导率、pH及溶液中CO₂含量进行数字化表征，并相互验证，能够帮助学生更好地理解H₂SO₄与Ba（OH）₂反应过程的本质和特点。

1 实验用品

0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液、0.005 mol/L H₂SO₄溶液；传感器、传感器探头、笔记本电脑（含配套软件）、磁力搅拌器（含磁子）、反应器（结晶皿）和注射器。

2 实验装置

实验装置如图1～图3所示。

3 实验过程

3.1 测量溶液反应时电导率的变化情况

（1） 将Ba（OH）₂溶液缓慢加入H₂SO₄溶液中。

①组装装置，实验时采集数据，观察数据变化。

②待曲线趋于稳定后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L硫酸溶液，观察曲线变化。

③待曲线平稳后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/LBa（OH）₂溶液，观察曲线变化。

④待曲线平稳后，用注射器继续向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/LBa（OH）₂溶液，观察曲线变化。

（2） 将H₂SO₄溶液缓慢加入Ba（OH）₂溶液中。

①组装装置，实验时采集数据，观察数据变化。

②待曲线趋于稳定后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液，观察曲线变化。

③待曲线下降一段后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L硫酸溶液，观察曲线变化。

④待曲线平稳后，利用注射器继续向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L硫酸溶液，观察曲线变化。

（3） 结果分析。

实验（1）如图4所示，在向水中缓慢加入硫酸的过程中，溶液中的硫酸浓度逐渐增大，导致离子浓度增大，溶液导电性逐渐增强，电导率曲线呈现上升的趋势；在缓慢加入Ba（OH）₂的过程中，溶液中的硫酸与Ba（OH）₂发生反应，导致溶液中的H⁺和SO₄^2-的浓度逐渐减小，溶液导电性逐渐减弱，电导率曲线呈下降趋势。待两者反应充分后，由于其完全反应的产物是水和BaSO₄，且BaSO₄是难溶的白色沉淀，此时的电导率数值趋近于初始点；继续缓慢加入Ba（OH）₂，此时硫酸已反应完全，加入的Ba（OH）₂不发生反应，溶液中的Ba²⁺和OH^-的浓度增大，溶液导电性逐渐增强，电导率曲线呈现上升的趋势，但在上述过程中，溶液中的水量不断增加，此时加入的6 mL Ba（OH）₂溶液的电导率并没有刚开始加入6 mL 0.005 mol/L硫酸溶液的电导率高，故曲线的终点数值会低一些。

实验（2）如图5所示，交换反应顺序，实验中有一段异常曲线，此处为加入Ba（OH）₂溶液结束之后的电导率数值变化情况（图5标示处）。加入Ba（OH）₂溶液结束后的曲线变化应为水平的曲线，但出现了“缓慢下降的趋势”；另外，加入Ba（OH）₂溶液结束后的电导率数值相比加入同浓度的H₂SO₄溶液要低一些。

分析其原因，可能是在加入Ba（OH）₂溶液时，空气中的CO₂与Ba（OH）₂缓慢发生反应，导致本来不应该减少的Ba²⁺和OH^-的浓度有所降低，故加入结束后引起电导率有所降低，且出现了后面呈下降趋势的曲线。

3.2 测量电导率及CO₂的变化情况

为探究H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应过程中CO₂浓度的变化，以及相互滴加顺序不同，CO₂浓度对电导率的影响，采用多信道电导率及溶解CO₂传感器测H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应的电导率及CO₂浓度的变化情况。

（1） 实验操作。

组装装置，待曲线趋于稳定后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液；待曲线下降一段后，利用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L H₂SO₄溶液；待曲线平稳后，利用注射器继续向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L H₂SO₄溶液。

交换滴加顺序，重新实验，即：用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L H₂SO₄溶液；待曲线下降一段后，用注射器向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液；待曲线平稳后，利用注射器继续向反应器中缓慢加入6 mL 0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液。

（2） 结果分析。

图6为 H₂SO₄溶液缓慢加入Ba（OH）₂溶液中测得的电导率及CO₂浓度的变化情况。当向水中加入Ba（OH）₂的过程中以及结束后，CO₂曲线均呈现下降趋势。空气中的CO₂与Ba（OH）₂发生反应，导致CO₂的量减小，同时这一反应必然降低了Ba²⁺和OH^-的浓度，故加入结束后的电导率曲线会呈现出下降趋势。当继续第二次加入6 mL H₂SO₄溶液时，此时的电导率最低，同时Ba（OH）₂已经反应完，但随着H₂SO₄的加入，CO₂浓度必然增大。前面CO₂与Ba（OH）₂反应并产生了BaCO₃，此时过量的H₂SO₄与BaCO₃反应又生成了CO₂，故CO₂曲线呈现出上升趋势。

图7为Ba（OH）₂溶液缓慢加入H₂SO₄溶液中测得的反应过程中的电导率及CO₂浓度的变化情况。当加入H₂SO₄结束后，其电导率曲线及CO₂浓度曲线都已趋于稳定；当加入Ba（OH）₂后，CO₂曲线一直呈现出下降的趋势。空气中的CO₂与Ba（OH）₂发生反应，必然导致上述结果。

3.3 测量电导率及pH的变化情况

实验探究结果证明，在H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应过程中，CO₂也会与Ba（OH）₂发生反应，且两者加入顺序不同，电导率变化也必然有差异，最佳顺序是将Ba（OH）₂缓慢加入H₂SO₄溶液中，利用此顺序继续探究H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应的电导率及pH的变化情况。

（1） 实验过程。

组装装置，待曲线趋于稳定后，利用注射器向反应器中加入 45 mL 0.005 mol/L Ba（OH）₂溶液，观察曲线变化。

（2） 结果分析。

图8为Ba（OH）₂溶液缓慢加入H₂SO₄溶液中测得的反应过程中电导率及pH的变化情况。随着Ba（OH）₂的缓慢加入，电导率曲线逐渐呈下降趋势，且下降至趋近于初始电导率值；同时，pH曲线呈上升趋势，且在电导率接近最低点时出现突变，此时是两者恰好完全反应时的时间点，即可观察到反应器中有白色沉淀产生。

４ 结语

采用多信道传感器技术，对H₂SO₄与Ba（OH）₂溶液反应过程中的电导率、pH及溶液中CO₂浓度进行数字化表征，并相互验证，能够帮助学生更好地理解H₂SO₄与Ba（OH）₂反应过程的本质和特点。由此证明，合理运用数字化实验配合课堂教学，可以实现最佳教学效果。

参考文献

[1] 李媛.信息背景下中学化学实验教学创新模式探究［J］.高考，2019（14）：68-69.

[2] 徐光善.谈现代教育信息技术装备的应用［J］.中国现代教育装备，2005（08）：31-33.

[3] 赵锦红，朱小明，胡又农.信息技术教育装备的可用性分析［J］.中国教育技术装备，2011（03）：3-5.