稀硫酸与氢氧化钡反应的电导率变化探析

摘要

介绍一种低成本、高直观性的溶液电导率变化表征方法。该方法利用蜂鸣器（由简单电路驱动）、手机声音传感器及音量检测App，对稀硫酸与氢氧化钡反应的电导率实验进行改进。将蜂鸣器探头浸入反应溶液，其发声强度会随溶液电导率变化而改变；手机App可实时监测并显示音量变化曲线，从而间接、动态地表征反应过程中电导率的演变。该方法操作简便，将微观的电导率变化转化为直观的声音与曲线信号，能显著提升传统实验的观测效果与数据可视化水平，非常适合化学教学应用。

Graphical abstract

关键词

稀硫酸与氢氧化钡反应 / 离子反应 / 电导率 / 蜂鸣器 / 变化 / 探析

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在必修课程主题2“常见的无机物及其应用”的教学提示中，有“探究溶液中离子反应的实质及发生条件（测定电流或溶液电导率的变化）”的学习活动建议^［1］。人教版（2019年）高中化学必修第一册第一章第二节“练习与应用”的第9题，以“向一定体积的氢氧化钡溶液中逐滴加入稀硫酸，溶液的导电能力先逐渐下降到零，再逐渐上升”为实验情境^［2］，用曲线提供证据，引导学生推理宏观现象（电导率变化）的微观本质（离子反应），检测并发展学生“宏-微-符-图”四重表征的水平。

手持电导率仪和数字化实验系统（图1）能准确、快速地测量滴加过程中溶液的电导率并自动生成变化图像^［3］。但数字化传感器的成本高昂，在部分地区的普及率较低^［4］。如何用更低成本且易得的器材改进实验？为解决该问题，笔者设计了一套基于蜂鸣器与手机的检测系统。该系统通过分析声音信号在溶液中的衰减，可简便、高效地检测其电导率变化，并实时生成变化曲线。

1 实验改进

1.1 实验原理

（1） 化学反应原理。

影响溶液电导率的重要因素是离子浓度。在向氢氧化钡溶液中滴加等浓度稀硫酸的过程中，会发生如下反应：Ba（OH）₂＋H₂SO₄=BaSO₄↓＋2H₂O。由于生成难溶物BaSO₄和弱电解质H₂O，溶液中离子浓度逐渐下降，导电能力也逐渐下降。待氢氧化钡恰好被反应完时，溶液中的离子浓度最低，几乎不导电。若继续滴加，则过量稀硫酸电离出的H⁺和SO₄^2-会使溶液离子浓度逐渐升高，导电能力逐渐回升。

（2） 蜂鸣器的发声原理。

蜂鸣器是一种能将直流电信号转化为声音信号的电子讯响器，通过外加直流电源，能将溶液电导率的变化转换为电路中的电流变化，从而引起蜂鸣器发声的音量发生变化。溶液的导电能力降低，电路中的电流减小，蜂鸣器的发声音量随之减小，反之亦然。

（3） 手机软件呈现结果。

“声级计”“分贝仪噪声检测”等免费App可以调用手机自带的声音传感器，实时监测蜂鸣器发声的音量大小，自动生成“音量（分贝）-时间”曲线图，以音量变化曲线表征溶液的导电能力变化。实验原理如图2所示。

1.2 实验用品

5 V有源式蜂鸣器、智能手机、中学直流电源、石墨棒、鳄嘴线（用于连接蜂鸣器）、磁力搅拌器、酸式滴定管、烧杯、0.05 mol/L氢氧化钡溶液、0.05 mol/L稀硫酸。

1.3 实验步骤

（1） 安装手机测声App。在手机应用市场内搜索下载音量检测软件，以“分贝仪噪声检测App”为例。

（2） 连接蜂鸣器。用鳄嘴线夹住蜂鸣器的两个电极，将其与电源、开关、石墨棒相连，放置在距离手机5 cm处；再将两根石墨棒放入盛有20 mL 0.05 mol/L氢氧化钡溶液的烧杯中。

（3） 打开“分贝仪噪声检测”App，检测环境噪声值。

（4） 进行实验，采集数据。实验装置如图3所示，连通电路，待蜂鸣器发声稳定后，点击App内的“开始”按钮；向烧杯中匀速滴加0.05 mol/L稀硫酸，手机App将实时检测蜂鸣器的音量大小，自动生成“音量-时间”曲线。

（5） 断开电路，停止滴加稀硫酸。在App内点击“暂停”按钮，导出曲线。

1.4 结果与讨论

（1） 实验前，测得环境噪声值为21 dB；实验中，“分贝仪噪声检测”App生成“音量-时间”曲线（图4）。向氢氧化钡溶液滴加稀硫酸的过程中，生成了难溶物和弱电解质，不仅导致溶液离子浓度逐渐下降，也造成电导率逐渐下降，遂使流过蜂鸣器的电流逐渐下降，其发声音量不断减小。最低点时，溶液中的离子浓度几乎为0，溶液不导电，蜂鸣器停止发声。此时，App测量到的是环境噪声，其大小与实验前测得的相同。继续滴加稀硫酸，溶液的离子浓度随之上升，蜂鸣器重新发声，音量不断增加。

（2） 使用手持电导率仪和数字化实验系统同步记录溶液电导率变化，如图5所示。对比图4和图5发现，蜂鸣器音量的变化趋势与电导率的变化趋势相符合，充分证明了用蜂鸣器和手机声音传感器改进实验的可行性和准确性，从而为表征溶液的导电性变化提供了一种新的方式，可以用于教材课后习题的教学中。

1.5 实验注意事项

（1） 由于存在背景噪声，室内音量很难降低至0 dB，所以实验前应记录环境背景噪声的分贝值。背景噪声并非来自师生间的课堂交流，主要来源于室内的设备振动及室外各类声源的噪声，其分贝数一般处于固定区间内^［5］。当蜂鸣器不发声时，“音量-时间”曲线图降至最低点，其数值等于环境噪声值，不会降至0 dB。

（2） 在实验过程中，操作者应保持滴定管的滴速恒定，磁力搅拌器的转速稳定，不要移动电极，否则会引起音量变化。

2 实验改进优点

（1） 实验器材易得。电商平台的蜂鸣器价格在5元以内，且手机声测App能在应用市场内免费下载。

（2） 整合教育技术资源，使实验现象可视化。以“希沃”系统为例，教师可在手机“希沃白板App”内点击“工作台-投屏”，将手机App生成曲线的动态过程实时投影到黑板上，从而增强实验的可视化效果。

（3） 便于推广。该装置可用于测定其他反应体系的电导率变化，对有大量弱电解质或难溶物生成的反应效果较好。

3 结语

该装置改进了中学阶段主要以手持电导率仪测量溶液电导率的方法，不仅操作简单、现象明显，而且所需器材易于获取。该实验改进设计可作为必修一教材课后相关习题的实验情境，以加深学生对离子反应的认识，提升“宏-微-符-图”四重表征的水平。此外，还可以为跨学科实践活动、项目化教学、探究式教学提供实验素材。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[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［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[3] 刘芳，高洪芳.手持技术在初中化学教学中的应用［J］.中学化学教学参考，2019（20）：45-46.

[4] 周蕾，孙晓春，王洁，等.云南省高中化学实验教学情况的调查［J］.西部素质教育，2020，6（05）：227-228，250.

[5] 胡亦川.教室音质的实验研究与控制策略［D］.杭州：浙江大学，2022. （上接第94页）

[6] 备实验，从旧人教版高中化学选修 3 ［4］ 到新人教版高中化学选择性必修 2，教材对于该实验的内容呈现并无明显变化。笔者从教材实验出发，基于配位平衡视角，将理论计算与实验探究有机融合，摸索出将氢氧化铜转化为四氨合铜离子的适宜条件，并进一步探究了将铜或氧化铜直接转化为四氨合铜离子的实验方法。对于配合物的教学，教师可将上述探究实验运用于课堂教学中，不仅能提升学生对四氨合铜离子制备实验的认识、丰富配位平衡的教学内容，也可以有效促进学生高阶思维品质的发展。

基金资助

安徽省2023年度教育科学研究课题“‘两次倒转’在高中化学单元活动设计与实施中的应用研究”(JK23089)

安徽省2023年度教育科学研究课题“高中化学探究性实验教学评价体系建构的研究”(JK23090)