中学化学实验 新型实验技术的应用.docx

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中学化学实验新型实验技术的应用

实验六新型实验技术的应用

组员：

李桂珠、魏晶晶、黎季璋、陈福弟、董若婷、任竞昕

1.微型实验技术的应用：

水的电解

【问题提出】

水的电解实验既可以揭示水的元素组成，引导出单质、化合物的概念，还可以比较分子原子在化学反应中的不同变化。

教材装置简单，但是实际操作并不简单。

比如在水槽中进行，耗费药品量非常大，所用溶液无论是稀硫酸还是氢氧化钠溶液，均有腐蚀性，而在取放试管过程中，手不可避免地要接触到溶液，药液被手污染，手被药液腐蚀，因此本实验并不安全。

此外，水电解时生成的气体验证，尤其是氢气的验证，按照教材装置，实验现象转瞬即逝，学生没有观察时间，实验现象还是要靠老师描述，实验的意义没有体现出来。

【问题解决思路】

微型化学实验与常规实验相比，具有以下显著优点：

①仪器简单，功能多，操作方便，不易损坏仪器。

②节省药品，实验快速．安全，减少污染．③充分发挥学生主动性、动手能力及创造性，有利于激发了学生学习化学的热情。

综上，水的电解实验可采用微型实验仪器进行，不仅药品用量少，而且能方便地验证生成的气体。

实验过程中手接触不到腐蚀性的溶液，比教材装置的安全性要高，所用材料多为塑料制品，容易加工。

【实验设计】

（1）实验目的

1.理解在不同电解质溶液环境中电解水的原理规律。

2.探究微型实验仪器电解水过程中电极变化原因。

3.通过设计实验，培养设计能力和探究能力，学会知识的综合运用。

4.通过查阅文献，提取有用信息，提高处理信息的能力。

5.通过实验操作，提高实验技能及解决问题的能力。

（2）实验原理

用大头针（镀镍）做电极电解水、亚硫酸钠溶液、氢氧化钠溶液的原理实际上是电解水的原理。

电极不参与反应时电解水的方程式如下：

碱性

阴极：

2H2O﹢2e-→2OH-﹢H2↑

阳极：

2OH-→1/2O2↑﹢H2O﹢2e-

总反应：

2H2O

2H2↑＋O2↑

若大头针外部的镀层破损，电极变成铁电极，则阳极反应变为:

Fe→Fe2＋＋2e-

在碱性或中性条件下，亚铁离子不稳定，于是发生：

Fe2＋＋2OH－→Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O→4Fe（OH）3↓

（3）实验用品

多用滴管、井穴板、低压电源（9~20V）、大头针、肥皂水、水、0.1mol/LNa2SO3溶液、2mol/LNaOH溶液等弱酸强碱盐溶液或强碱溶液。

（4）实验步骤

①在多用滴管中吸取纯水，插入两根大头针作为电极，连接低压电源，观察现象；

②在多用滴管中换取Na2SO3溶液、NaOH溶液或其它弱酸强碱盐溶液或强碱溶液，接通电源，观察现象并比较现象；

③当多用滴管中产生较多气泡时，将滴管尖嘴插入井穴板中盛放的肥皂水中，用火柴点燃吹起的肥皂泡，观察实验现象；

④实验一段时间后，观察电极（大头针）的变化，解释其变化原因，说明该如何解决问题。

【实验装置】

【实验现象记录及分析】

被电解

物质

实验现象

现象分析

纯水

电极

溶液

肥皂泡

1、由于纯水中可自由移动离子数量少，因此电解纯水的速率很慢，产生气泡较少。

2、电解纯水、Na2SO3、NaOH均有气泡产生，点燃被所产生的气体吹出来的肥皂泡有爆鸣声，说明生成的气体为H2；

3、电解后溶液变为浅绿色说明大头针内的铁放电溶解，生成亚铁离子（呈浅绿色）；

4、溶液中有灰绿色沉淀生成，说明大头针放电溶解，有Fe（OH）2生成，Fe（OH）2又易被氧化为Fe（OH）3，此为沉淀变为暗红色的原因。

5、在不同的电解质中，电解的速率不同，其中NaOH溶液最剧烈，纯净水最平缓，可能的原因是不同的溶液的离子导电能力不同，可能是OH-的导电能力最强，也可能因为NaOH溶液的浓度比较大；

开始初，正负极均有少量微小气泡产生，随着反应进行，正极逐渐无气泡产生。

负极附近溶液变浅绿色，后变为浅黄色，并有灰绿色沉淀生成。

由导气管吹出的肥皂泡量少，点燃无明显的爆鸣声。

Na2SO3

溶液

负极有大量气泡产生，正极无气泡产生，装置发热。

溶液颜色变浅绿，有灰绿色絮状沉淀产生，后渐变为暗红色。

由导气管吹出的肥皂泡量较多，点燃有较尖锐的爆鸣声

NaOH

溶液

现象最剧烈，正负极均有大量气泡产生，负极更剧烈，装置发热明显。

溶液颜色无变化

由导气管吹出的肥皂泡量多，点燃有尖锐的爆鸣声

【实验过程图示】

图一：

电解纯水

图二：

用导气管吹肥皂泡

图三：

电解氢氧化钠溶液

【实验总结】

（1）微型实验的优点：

微型实验具有实验仪器微型化，试剂用量节约化两个基本特征，且实验时间短，过程较为环保，因此学习微型实验能提高学生学习化学和做化学实验的兴趣，并起到节约试剂，简化装置的作用，培养学生的环保意识和绿色化学观念、培养学生自主创新和合作交流的能力等。

（2）本实验主要内容：

微型的电解水实验。

实验证明，加入Na2SO3等弱酸强碱盐、NaOH等强碱溶液，溶液中放电的离子仍是H+和OH-，因此电解的物质仍然是水，只是相当于加快了电解水的速率。

（3）相关现象小结：

①电解纯水、Na2SO3、NaOH均有气泡产生，且阴极气体比阳极多；②由于既生成了氢气又生成了氢气，氢气不纯，故点燃肥皂泡时，会发生爆鸣现象；③不同电解质的导电能力能力不同，铁电极的现象不同：

电解水、Na2SO3溶液时，溶液均变浅绿色；其中，电解水、Na2SO3时还有灰绿色沉淀生成，应该是Fe（OH）2，这说明电极均发生溶解。

大头针上镀有镍，严格说电解过程中不应该有沉淀出现，而实验中出现了沉淀，可能是因为所用大头针镀层破损，因此电解时里面的铁放电溶解；在电解NaOH溶液时，反而没有沉淀生成，刚开始我百思不得其解，后来终于想到缘由：

因为Fe（OH）2是一种两性氢氧化物，我们所用的电解液NaOH浓度较大，所以Fe（OH）2沉淀不能形成。

（4）本实验的不足之处：

①所用的电解质纯水、Na2SO3、NaOH溶液的浓度不一致，所以不能对电解质的导电性进行定性的比较；②且所产生气体混合在一起，我们无法证明有氧气生成，也无法对阴阳极的氧气和氢气进行定量比较，这是个值得继续探讨的问题。

【参考文献】

【1】钱扬义，吴东燕，王琴，罗秀玲.利用手持技术探究影响大气“温室效应”的因素.化学教学.2005（5）

【2】钱扬义等.掌上实验室（LabinHand）的特点及其功能[J.电化教育研究，2003，（10）：

59一62

【3】      石郦.初中新课程微型化学实验的设计探究.化学教育，（7）

【4】      肖常磊.钱扬义主编.中学化学实验教学论[M].北京：

化学工业出版社，2008：

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98-107

2、手持技术在酸碱滴定中的应用

——溶液pH值的变化曲线

【问题提出】

中学阶段主要采用酸碱指示剂来确定滴定终点,但学生常因指示剂的选取不当或过早估计终点等问题而造成较大的实验误差。

在中学的教学中，处理这一章节的内容比较困难，那么我们有必要寻找新的方法，更直观、准确地判断出酸碱滴定的终点，这也是我们这一次实验要重点解决的问题。

【问题解决思路】

手持实验技术又称为“掌上实验室”，它主要由数据采集器和传感器组成，而传感器这是一种物理化学量的感应器具，它们能把外界环境中的某个物理化学量的变化以电信号的方式输出，再经过数据模拟装置转化成数据或者图表的形式在数据采集器上显示并存储起来，使过程能够实时化和直观化。

综上，使用手持实验技术可解决酸碱滴定终点难判断的问题。

【实验目的】

1.通过手持技术直观观察酸碱滴定过程中溶液的pH变化，加深滴定终点的理解

2．深入理解滴定过程中溶液pH变化的原因，掌握酸碱滴定的本质

3．感受手持技术在化学实验中的应用，了解手持技术的特点

4．能够比较手持技术和指示剂判断酸碱滴定终点两种方法的优缺点

【实验原理】

由于酸碱中和滴定的全过程均是在溶液中进行的，溶液中pH的变化随着滴定过程的进行而发生变化，因此，溶液的pH可以表征溶液中离子（如H+）的浓度。

在滴定过程中，滴定剂与溶液中的被测离子反应生成水使溶液的pH发生变化。

因此，可通过滴定曲线上的突跃点来确定滴定终点。

本次研究主要采用手持技术仪器（主要包括数据采集器与pH传感器），通过计算机处理数据，为学生深刻理解中和滴定提供了技术条件，让学生更好的理解中和滴定的实质是H++OH－=H2O。

向酸（或碱）溶液中滴加碱（或酸）溶液，混合溶液pH必然会发生变化。

使用pH传感器检测混合溶液在滴定过程中pH的变化情况，并借助计算机以图像形式显示出来，即可得到酸碱中和滴定曲线。

本实验操作简便、快捷、准确性高，因此广泛应用于工农业生产和科学研究中，具有很高的使用价值。

【实验设计思路】

【实验装置图】

【实验仪器及药品】

仪器：

计算机，数据采集器，pH传感器，酸式滴定管（50ml），磁力搅拌器;烧杯（50ml）

药品：

盐酸（约0.01mol/L）、NaOH溶液（约0.01mol/L）

【实验步骤】

1.准确量取20.00mlNaOH溶液于50ml烧杯中

2.安装好实验装置，开启磁力搅拌器，调节适当的搅拌速度

3.打开数据采集器，将pH传感器连接到数据采集器的端口，然后设置数据采集器每0.1秒采集一个数据。

4.打开酸式滴定管，调整适宜的滴定速度，滴定过程要保持匀速。

5.进行测定，得到变化曲线，分析结果

【实验记录】

通过实验，得到以下曲线，其中横坐标是时间，纵坐标是pH值

【数据处理与分析】

pH变化总趋势：

实验开始的时候溶液的pH在12.397，是由NaOH溶液的浓度所决定。

随着0.095mol/LHCl溶液的滴入，由于一开始溶液中OH-占据主导地位，因此pH下降会比较缓慢，只是微微地有下降。

直到接近计量点，曲线发生了突跃，说明此时溶液中的OH-迅速地被H+中和，溶液显酸性，曲线趋向直线状态。

可以预见，接下来pH降低的幅度将减小。

因为盐酸已经过量。

溶液中几乎都是HCl电离产生的H+，所以在最后没有继续采集的数据中，可以预见最终pH都会降低到HCl的初始浓度被稀释一倍时的PH值。

理论上突跃点是7.0，本实验所测基本符合，达到计量点时间约为225s。

实验得到的曲线趋势符合滴定的过程，突跃变化亦较为明显。

在酸碱中和反应中，精确计算试剂用量，滴定过程中出现突跃点时，迅速读出所用酸的体积，再运用C酸=C碱×V碱/V酸，计算出待测酸的浓度。

【问题探讨】

1．利用手持技术的滴定实验和传统滴定实验的优劣对比：

①本次实验利用pH传感器，运用手持技术，研究了酸碱中和滴定过程中pH值的变化趋势，从而判断出滴定终点，解决了传统的指示剂判断滴定终点不准确的难题。

②传统的滴定实验只是定性实验，我们只能通过添加指示剂，通过溶液颜色的变化来说明pH发生突变，只能知道化学计量点附近溶液颜色从无色到淡红色再到红色，从而说明化学计量点的存在。

但学生无法知道中和滴定过程中具体的pH值变化，滴定前后溶液中各种粒子浓度变化，无法对化学计量点附近的突跃进行理性认识。

手持技术的利用不仅使学生掌握了测定酸（或碱）浓度的方法，而且让学生对pH数值的变化情况、化学计量点附近的突跃、酸碱中和反应的实质有了更加直观深刻的理性认识。

③利用手持技术中的pH传感器测定物质的量浓度的方法，不仅可以减少指示剂种类和浓度产生的误差，而且可以避免人为因素的干扰，实验方法简单方便。

2.本研究中采用的数据采集器与pH传感器，除上述应用外的其他用途：

①、水质分析。

因不同的水质受到当地各种生活污染或工业污染的影响，不同的水质的酸碱度并不一样，可以通过测定pH值对相应的水质作出初步的评价；

②、测定大型反应槽或制程管路中pH值；

③、耐高温杀菌、CIP清洗；

④、贝尔公司T255,T335PH传感器适用于多种场合的PH值测量，比如:

废水污水场合PH值测量，电镀废水场合PH值测量，高温场合PH值测量，发酵场合PH值测量，高压场合PH值测量等多种场合PH值的测量。