PowerPoint仿真实验探究离子反应的定量问题

摘要

在高中化学教学过程中常遇到化学反应的少量或过量问题，学生对于此类问题的学习缺乏一种直观的模型，在书写反应的离子方程式时很容易出错。采用PowerPoint制作一款虚拟仿真实验，通过仿真实验探究Cl₂与FeI₂、FeBr₂混合溶液的反应过程，帮助学生理解竞争型离子反应中的顺序问题，建立复杂离子方程式书写的直观思维模型。

Graphical abstract

关键词

PowerPoint / 虚拟仿真实验 / 离子反应 / Cl₂ / FeI₂ / FeBr₂

离子反应的学习贯穿高中化学学习的始终。从初高中化学衔接阶段的复分解反应的探索，到化学必修一阶段电解质、离子方程式概念的初步认识；从化学反应原理角度认清离子反应的本质，到高考复习阶段复杂离子方程式的书写，每个阶段均对离子反应的掌握提出了不同程度的要求^［1］。

关于离子反应的教学已有大量研究。例如，朱鹏飞等^［2］在新授课中通过数字化实验手段探究离子反应发生的条件，帮助学生建立起水溶液中研究物质反应的微粒观；冯文俊等^［3］以认知负荷理论为指导，搭建离子反应的思维台阶，逐级增加材料元素的交互性，降低学生对认知加工的压力，增强学生对微粒观的认识；林秋成^［4］将三重表征理论融入离子反应的教学中，通过对实验过程进行宏观表征、微观表征和符号表征，培养学生将宏观现象和微观反应建立联系的能力。以上对离子反应的教学研究均以简单离子反应（即反应中只涉及单步离子反应）的实验为抓手，帮助学生建立离子反应的概念，但如何从简单离子反应的教学过渡到竞争型离子反应、定量型离子反应的教学鲜有文章研究。厉业余^［5］、黄诚等^［6］、陈建托^［7］在与量有关的离子反应、竞争型的离子反应的研究中重点探讨了此类离子反应的规律、离子方程式的书写技巧，同样缺乏学生对复杂离子反应规律的主动探究以及教学环节的设计。

基于前人研究的基础，笔者借助PowerPoint设计虚拟仿真实验，通过仿真实验探究Cl₂与FeI₂、FeBr₂混合溶液的反应过程，帮助学生认识复杂离子反应的微观原理。在学生对简单离子反应已有认知的基础上逐步突破对复杂离子反应的理解，掌握复杂离子方程式的书写方法，完善离子反应的微粒观。

1 虚拟仿真实验的设计思路和方法

1.1 虚拟仿真实验的设计思路

高中化学对卤族元素性质的学习覆盖面较广，如萃取实验、海洋中的元素、氧化还原反应、元素周期律、沉淀溶解平衡等知识模块均有涉及卤族元素的学习。本仿真实验设计以Cl₂与FeI₂、FeBr₂混合溶液的反应为研究对象，将Cl₂少量多次地通入FeI₂和FeBr₂的混合溶液中。结合多重表征的教学理念^［8］，以通入Cl₂的物质的量为横坐标，以溶液中I^-、I₂、Fe²⁺、Fe³⁺、Br^-、Br₂的物质的量为纵坐标，模拟反应过程中曲线和数据的变化。

1.2 虚拟仿真实验的设计方法

（1） 界面的制作。

首先设置首页幻灯片。本虚拟仿真实验期望学生通过对“曲线表征”的分析建立复杂离子反应的思维模型，所以设计版面的主体部分为溶液微粒含量随氯气通入的变化曲线图，如图1所示。

操作方法如下：在幻灯片首页中插入折线图，编辑折线图数据，数据的第一列为横坐标（即通入Cl₂的物质的量），设置步值为0.125 mol。第二列至第七列为纵坐标（依次为溶液中I^-、I₂、Fe²⁺、Fe³⁺、Br^-、Br₂的物质的量），本实验设置溶液中FeBr₂、FeI₂各2.000 mol，起始数据的设置如图2所示。此外，实验界面添加了数据显示窗口用以实时呈现溶液各微粒的物质的量，以及微粒变化显示图用于呈现各微粒的变化情况。这两个窗口通过插入文本框即可完成。

（2） 折线图动态变化效果的制作。

利用此方法设计的仿真实验，原理类似于动画片的逐帧播放。将首页幻灯片复制出若干页，将前后连续的幻灯片设置为自动换片，一页幻灯片相当于一帧，逐一修改每页幻灯片折线图的数据，以此实现实验过程中数据的连续性变化。以下用第一次通入0.500 mol Cl₂为例介绍具体的设置过程。

①添加超链接：复制首页幻灯片，在首页幻灯片中添加超链接按钮，链接到第二页幻灯片，按钮的内容为“通入0.500 mol Cl₂”。

②数据填充：在第二页幻灯片的折线图中编辑数据。第二页幻灯片的数据为当Cl₂通入的量为0.125 mol 时对应各微粒物质的量，如图3中第三行数据所示。用同样的方法编辑第三、四、五页幻灯片折线图的数据，依次如图3中的第四、五、六行的数据。

③自动切换：选中第二、三、四页幻灯片，设置切换效果为“无”，设置换片方式为“自动换片时间：2 s”。通过以上的设置，在首页幻灯片中点击超链接“通入0.500 mol Cl₂”时便会自动切换，坐标中相应微粒的曲线也会随Cl₂量的增加而发生变化。

同第一次通入Cl₂的设置方式相同，第二次通入Cl₂则以第五页幻灯片为初始页，通过重复上述①②③步骤，在第五页的“点击通入0.500 mol Cl₂”文本框中添加超链接至第六页，同样方式编辑数据，设置换片方式。以此类推，即可完成所有幻灯片中“曲线表征”的编辑。此外，每页幻灯片中的数据显示窗口和微粒变化显示窗口中的数据文本与曲线上的数据填充一致即可。

2 结合虚拟仿真实验的教学设计

2.1 学情分析

本节课基于学生已经完成离子反应、氧化还原反应的学习，初步掌握了离子反应的条件、氧化还原反应的相关概念，具备一定的基础知识，能够正确书写常见的简单离子方程式。但对于离子反应中的定量问题、竞争型离子反应的规律缺乏清晰的认识，在复杂离子方程式的书写上存在困难，需要通过教师的引导来完善复杂离子反应的认知模型。

2.2 教学设计理念

在信息技术的支持下，学生往往会表现出较高的学习兴趣，但是单纯地使用信息技术而没有针对教学痛点对症下药，就难以促进学生对问题的深入理解和核心素养的发展。本节课的教学以Cl₂少量多次通入FeI₂、FeBr₂的混合溶液实验为线索，对实验中的特殊节点进行多重表征，帮助学生从不同角度理解复杂离子反应的基本规律。同时在教学过程中结合POE教学策略，学生经过预测、观察和解释3个阶段的思维加工，逐步深化对复杂离子反应的理解。这种教学方法不仅提高了学生的学习兴趣，还帮助他们在实践中提升科学思维和解决问题的能力。教学流程如表1所示。

2.3 教学过程

（1） 情境创设，问题导入。

氧化还原反应中氧化剂与还原剂反应，分别生成还原产物和氧化产物。若一个氧化还原体系中有多种氧化剂或多种还原剂，这时候的反应按什么规律进行？

生：多个反应同时进行。氧化性强的物质和还原性强的物质优先反应。

（2） 实验探究。

介绍仿真实验的使用方法和注意事项。将2 mol Cl₂通入到含2 mol FeI₂和2 mol FeBr₂的混合溶液中，实验中会观察到哪些现象，图象会发生什么变化？

【学生活动】动手实验，把2 mol Cl₂通入混合溶液中，观察到I^-曲线下降，从4 mol变成了0；I₂曲线上升，从0变成了2 mol，I^-反应完全（图4）。结合图象信息书写该阶段反应的离子方程式：Cl₂+2I^-=2Cl^-+I₂。

师：在第一阶段反应结束后，继续通入2 mol Cl₂，曲线会如何变化？

生：Fe²⁺曲线下降，Fe³⁺曲线上升。

【学生活动】动手实验，往溶液中再次通入2 mol Cl₂，观察到当I^-反应完后，Fe²⁺开始反应生成Fe³⁺，当Cl₂通入量为4 mol时，Fe²⁺反应完全（图5）。结合图象信息书写该阶段反应的离子方程式：Cl₂+2Fe²⁺=2Cl^-+2Fe³⁺。

师：此时总反应的离子方程式该如何书写？

生：可以将前面两个过程的离子方程式相加得到总反应离子方程式：2Cl₂+2I^-+2Fe²⁺=4Cl^-+I₂+2Fe³⁺。

【教师点评】在第一个阶段中Cl₂和I^-反应的量为2 mol和4 mol，第二个阶段Cl₂和Fe²⁺反应的量为2 mol和4 mol，所以可以把这两个离子方程式直接相加即可得到总反应离子方程式，但要注意，若这两个反应的量不等，则不能简单相加。

师：在第二阶段反应结束后，再次通入2 mol Cl₂，曲线会如何变化？

生：Br^-曲线下降，Br₂曲线上升。

【学生活动】动手实验，往溶液中继续通入2 mol Cl₂，可以看到当Fe²⁺反应完后，Br^-开始被氧化成Br₂，当Cl₂通入2 mol时，4 mol Br^-恰好完全反应生成2 mol Br₂（图6）。结合图像信息书写该阶段反应的离子方程式：Cl₂+2Br^-=2Cl^-+Br₂。

师：此时总反应的离子方程式又该如何书写？

生：可以将前面3个阶段的离子方程式相加得到总反应离子方程式：3Cl₂+2I^-+2Fe²⁺+2Br^-=6Cl^-+I₂+2Fe³⁺+Br₂。

【教师点评】和前两个阶段一样，第三个阶段中Cl₂和Br^-反应的量也是2 mol和4 mol，所以把这3个阶段的离子方程式直接相加即可得到总反应，同样要注意的是若这3个阶段反应的量不等，则不能简单相加。

（3） 深化理解。

师：从以上实验中发现，Cl₂通入FeI₂、FeBr₂混合溶液中，反应是有一定顺序的，请分析原因。

生：Cl₂优先和I^-反应，其次是Fe²⁺，最后是Br^-。因为还原性顺序为：I^-＞Fe²⁺＞Br^-。

师：这也就是氧化还原中的“优先规律”，它是指一种氧化剂遇到还原性不同的几种还原剂时，还原性强的先反应；同理，氧化性强的氧化剂先与还原剂反应。

师：由于选取的各阶段对应的I^-、Fe²⁺、Br^-消耗的量相同，且Cl₂和它们反应的比例也相同，可以直接把分步的反应相加。如果通入Cl₂的量并非和各离子恰好反应，而是部分反应，那此时的总反应还能简单地相加吗？

生：不能，和参与反应的各微粒的量有关系。

定量型离子反应方程的书写方法：设通入氯气的量为n，将图6中的AB段、B点、CD段、D点、EF段、F点用含n的代数代入方程式，各阶段离子方程式前的化学计量数为参与此步反应的物质的量（表2）。当n≤2 mol时，只发生Cl₂和I^-的反应，离子方程式为Cl₂+2I^-=2Cl^-+I₂。当2＜n≤4时，此时I^-完全反应，Fe²⁺部分或完全被氧化成Fe³⁺。

（4） 提炼升华。

在书写与量有关的方程式时，首先须明确各步反应的先后顺序，根据反应物的用量判断反应经历了哪几步，写出各步对应的方程式，将方程式前的化学计量数表示为参与该步反应的物质的量，再把各步的方程式叠加可得到总反应的方程式。要注意的是总反应的离子方程式并非各分步反应离子方程式的简单加和，它与各分步反应中实际消耗的各物质的量有关。

3 结语

以Cl₂与FeI₂、FeBr₂混合溶液反应为课例，开展PowerPoint虚拟仿真实验研究。通过数据和图象将反应过程中的微粒数目变化呈现出来，进而展示出溶液中物质发生反应时各类离子的竞争关系。通过对图象和数据的分析，可以更轻易地写出当反应物用量不同时的离子方程式。在高中阶段与量有关的离子反应还有NH₄HCO₃与NaOH反应、NH₄Al（SO₄）₂与NaOH反应、CO₂与碱反应、Fe与HNO₃反应、Na₂CO₃与HCl反应、Na［Al（OH）₄］与HCl反应等。PowerPoint虚拟仿真实验的制作不需要借助复杂的计算机语言，也可以复制本文的方法制作这些离子反应的仿真实验用于教学实践，丰富教学形式和教学内容，弥补传统实验教学时不易呈现的离子反应规律，进而帮助学生提升“证据推理与模型认知”核心素养。

参考文献

[1] 邹国华，童文昭.“离子反应”学习进阶及其教学分析［J］.化学教育（中英文），2018，39（17）：22-25.

[2] 朱鹏飞，陈敏，陈凯.发展学生化学学科核心素养的课例研究：以“离子反应”为例［J］.化学教育（中英文），2018，39（23）：37-42.

[3] 冯文俊，柯志超.基于认知负荷理论的实验思维台阶搭建策略研究：以“离子反应”概念本质教学为例［J］.化学教与学，2017（06）：13-15，47.

[4] 林秋成.利用三重表征优化“离子反应”教学探讨［J］.化学教与学，2017（04）：27-29.

[5] 厉业余.定量型离子方程式的书写［J］.中学化学，2019（02）：32-34.

[6] 黄诚，罗华荣，毛利宏，等.论离子反应中三种典型过量反应问题的解法［J］.化学教学，2013（12）：67-69.

[7] 陈建托.离子方程式书写少量、过量专题剖析［J］.中学化学，2021（07）：36-38.

[8] 彭豪.基于POE策略的高中化学“四重表征”概念教学研究［J］.化学教学，2011（10）：24-27.