高中化學·魯科版選修四

數字化實驗探究明礬淨水與鹽的水解

一、實驗教學分析

1、教學内容分析

鹽的水解屬于山東科技出版社新編教材選修四 《化學反應原理》，第3章“物質在水溶液的行為”，第2節“弱電解質的電離 鹽類的水解”，明礬淨水在必修一《化學》第2章第1節“物質的分類”中也提到過。然而在實際教學過程中，學生能夠觀察到的實驗現象是十分有限的，一般教師會由此現象直接告訴學生，并沒有相關的實驗事實說明，缺乏有效的實驗事實。

2、學生學情分析

鹽的水解是高中階段的重點和難點，膠體在高一時候隻是大概學習一下，原理性東西沒有充分理解，此時通過鹽的水解生成膠體淨水對學生而言難度很大。教學過程中大多是直接告訴學生在明礬水解能淨水，依據維果茨基的“最近發展區理論”，這顯然已經超出了學生的現有潛在認知水平，所以學生在處理該知識點時隻能通過機械記憶。

所以，為了解決這一難題，在書本實驗的基礎上結合手持技術設計實驗。通過實驗過程的跟蹤，展示給學生的不僅僅是結果還有反應過程。同時和書本實驗完美結合，在實際教學過程中有很強的實用性。

二、實驗部分

1、實驗原理

明礬之所以能淨化天然水，是因明礬溶解于水後産生的Al3 與天然水中的 HCO3-發生雙水解反應，生成了氫氧化鋁膠體，氫氧化鋁膠體将水中懸浮的雜質吸附聚沉。

2、實驗儀器與藥品

實驗儀器：電腦、朗威數據采集器、濁度傳感器（配套反應裝置）、藥匙

實驗藥品：明礬、硫酸鐵、碳酸氫鈉、蒸餾水

3、實驗步驟

①　用燒杯、膠頭滴管等實驗儀器，配制所需要的試劑，并配制4份濁水

②　用PH傳感器測量試劑的PH，且在實驗過程中測量淨水過程中PH變化

③　将濁度傳感器、數據采集器、電腦相連，打開DISLab 6.9實驗數據處理軟件，設置坐标為縱坐标為濁度，橫坐标為時間，用濁度傳感器監測淨水過程中4份濁水溶液濁度的變化

4、實驗結果與讨論

溶液濁度變化随反應時間的變化曲線如圖1所示，分析數據得出：

(1) 1号反應容器内濁度為藍色線條，幾乎沒有變，說明溶液為懸濁液均一穩定；

(2) 2号反應容器内濁度為紅色線條，有變化，但是不明顯，說明明礬可以淨水，不過按照書本的做法淨水比較慢；

(3) 3号反應容器内濁度為綠色線條，變化很明顯，在136秒發生明顯變化，說明加入碳酸氫鈉後與明礬發生雙水解，從而加快沉降速率；

(4) 4反應容器内濁度為黑色線條，在65秒就有明顯變化，而且是肉眼可見的溶液變澄清，說明三價鐵的水解能力強于三價鋁離子。

通過數據分析可以得出以下結論：

1、影響明礬淨水效果的因素 ：水溫 、水的pH、水中雜質的性質和濃度、明礬的用量等；

2、明礬中Al3 水解淨水，加入HCO3-促進水解淨水效果更好；

3、同等濃度的Fe3 和Al3 比較，Fe3 水解程度更深，淨水效果更好；

4、膠體不能吸附有色離子。

5、實驗改進要點

利用濁度傳感器對明礬淨水是的濁度進行跟蹤檢測，繪制濁度與反應時間變化曲線，通過控制變量法得出結論，實現了實驗過程的可視化、微型化、動态化、家庭化。

三、實驗教學内容

1、實驗教學目标

（1）、通過分析4種溶液淨水能力實驗研究的學習，提高對化學學習的興趣，形成對分步進行的化學反應的初步認識，提高應用所學知識解決實際問題的能力；

（2）、通過濁度與反應時間的數據學會分析數據、讀圖、數據分析能力，初步認識應用手持技術的實驗的實驗裝置組成；

（3）、通過對比書本實驗和教學實驗，提高的設計、評價、處理等實驗綜合能力。

2、教學重難點

教學重點：掌握鋁離子水解成膠體可以淨水，不同離子水解能力不一樣且相互影響；

教學難點：根據濁度變化與時間關系，分析數據、圖表，從而得出結論。

3、實驗教學過程

（1）創設情景 激發思維

[課堂引入] 《交流•研讨》：

取3個燒杯，各盛大半燒杯渾濁的天然水(湖水、河水或井水等)，向其中2個燒杯中各加入3藥匙明礬粉末，攪拌溶解後，靜置 ，觀察現象。在實際教學中往往需等待時間較久，且淨水效果并不理想。

（2）以書為本 發現問題

[小組試驗] 學習讨論書本中的關于明礬淨水的實驗研究。并進行書本實驗，發現實驗過程中出現的問題。

[現象彙報] 實驗過程中明礬淨水特别慢，若是課堂實驗，效率太低。

[提出問題] 通過什麼辦法可以加快淨水速率，如何觀察，能不能通過傳感器探究？

（3）學習新知 拓展思路

[獲取新知] 明礬之所以能淨化天然水，是因明礬溶解于水後産生的Al3 與天然水中的 HCO3-發生雙水解反應，生成了氫氧化鋁膠體，氫氧化鋁膠體将水中懸浮的雜質吸附聚沉。明礬中Al3 水解淨水，加入HCO3-促進水解淨水效果更好，同等濃度的Fe3 和Al3 比較，Fe3 水解程度更深，淨水效果更好。濁度傳感器是一種用于測量溶液渾濁程度的裝置，搭配朗威數據采集器可以獲取實時的濁度。

（4）觀察實驗 思考論證

[演示實驗] 用燒杯、膠頭滴管等實驗儀器，配制所需要的試劑，并配制4份濁水；用PH傳感器測量試劑的PH，且在實驗過程中測量淨水過程中PH變化；将濁度傳感器、數據采集器、電腦相連，打開DISLab 6.9實驗數據處理軟件，設置坐标為縱坐标為濁度，橫坐标為時間，用濁度傳感器監測淨水過程中4份濁水溶液濁度的變化

[形成結論] 将懸濁液的酸度調節在 PH=9.4～11.0之間，明礬的用量不宜過多， 15mL隻需2d～4d，滴加2d-3d飽和NaHCO3溶液效果更佳。

（5）學以緻用 用于實踐

[學以緻用] 明礬中Al3 水解淨水，加入HCO3-促進水解淨水效果更好，同等濃度的Fe3 和Al3 比較，Fe3 水解程度更深，淨水效果更好，膠體不能吸附有色離子。所以在生活中常通過明礬來淨水，硫酸鐵也可以淨水，事實上，硫酸鐵是用于自來水淨化的高級淨水劑。

四、實驗效果反思與評價

将數字化實驗技術應用課堂教學，可以激發學習興趣，培養學生的探究思維。傳感器将化學反應本質轉化為可監測信号，幫助我們更深入地研究化學現象和反應的本質，并且直接用數字軟件獲取其變化曲線，數據量化，更科學、更直觀、更準确。

由于我校實驗室條件的限制，所配制反應物的純度可能不夠精确，所以數據的采集存在不足的地方，希望各位老師批評指正，本次探究的數據僅供參考。

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