数字化实验探究石灰水的电导率变化情况

文| 季晓春

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》指出：以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对全面发展学生的核心素养有着极为重要的作用。创新实验教学，采用新颖的实验方法和实验装置，能够让学生接触到最新的实验技术和实验方法。而且创新实验教学注重学生的探究过程，能让学生通过探究发现问题、解决问题，并能用科学语言和信息技术手段合理表达探究的过程和结果。在化学教学中，教师可以通过创新实验更好地激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的学习情境，帮助学生理解和掌握化学知识与技能，引导学生学习科学方法，发展学生的科学思维和创新意识，培养学生的科学态度与责任。

一、创新实验来源

人教版九年级化学教材下册第10 单元实验“试验物质的导电性”中通过电源、小灯泡、导线、金属或石墨电极等搭建物理电路，观察小灯泡是否发光来判断与其串联在一个电路中的所给实验物质（如氢氧化钙溶液）是否能导电（如图1）。

图1 试验物质的导电性

氢氧化钙溶液又称为澄清石灰水，实验室常用来检验二氧化碳气体（如图2），因为二氧化碳气体能使其变浑浊，现象明显。但实验过程中，有时会出现意想不到的现象，浑浊的石灰水又变澄清。

图2 石灰石与盐酸反应

以上实验方法探究有关氢氧化钙溶液的性质，现象明显，可操作性强，但主要是从定性的角度分析。如第一个实验在引导学生从微观角度分析溶液的导电性时较为抽象；第二个实验过程中有时会出现意想不到的现象，为什么浑浊的石灰水又变澄清了？在引导学生解释反应的特殊现象、认识反应的微观实质时比较困难。

二、实验目的

使用传感器探究石灰水的电导率变化情况，从而帮助学生理解溶液的导电原理以及认识石灰水与二氧化碳的反应实质。

三、实验原理

电导率传感器用于测量溶液的导电性强弱。一定条件下，电导率的大小能反映溶液中离子浓度的大小。

四、实验仪器和装置图（如图3、图4）

图3

图4

数据采集器、电导率传感器、计算机及相应配套软件、磁力搅拌器、烧杯、锥形瓶、分液漏斗、导管、氢氧化钙、纯净水、稀盐酸、石灰石等。

五、实验步骤

1.取室温26℃下100 mL 纯净水加入烧杯中，放入磁力搅拌器磁珠。

2.校准传感器，组装仪器，设定搅拌挡位。

3.用电导率传感器采集数据，迅速将一药匙氢氧化钙粉末加入烧杯中，充分溶解后，再加半药匙氢氧化钙粉末，持续采集数据。

4.取室温下接近饱和的澄清石灰水各30 mL 于两只烧杯中，往其中一只烧杯加等体积的水，使其浓度稀释一半。

5.用电导率传感器采集数据，往室温下20 mL 已被稀释的澄清石灰水中不断通入二氧化碳气体，持续采集数据。

6.用电导率传感器采集数据，往室温下30 mL 接近饱和的澄清石灰水中不断通入二氧化碳气体，持续采集数据。

六、数据分析

1.氢氧化钙溶液具有导电性。

由电导率传感器显示的波形图（如图5）可以看出，纯净水几乎不导电，其电导率为0.405；加入氢氧化钙后，固体逐渐溶解，溶液中的离子浓度不断增大，溶液的电导率不断增大；氢氧化钙溶解达到饱和状态后，溶液中的离子浓度不变，溶液的电导率不变，达到最大值10.376。

图5

2.实验室用澄清石灰水检验二氧化碳时，为何有时会观察到意外现象？

其实，这个实验过程中的意外现象通过电导率传感器显示的波形（如图6），很容易分析得出结论。

图6

接近饱和的澄清石灰水被稀释后，测得其初始电导率为5.724。当通入二氧化碳气体时，发生反应：Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，随着反应的进行，生成难溶性的碳酸钙沉淀，溶液中的离子数目减少，离子浓度减少，溶液的电导率降低，当氢氧化钙完全反应时，溶液电导率降至最低点1.046（如图7）。继续通入过量的二氧化碳气体，观察到变浑浊的石灰水又变澄清，同时溶液的电导率开始上升，直至2.388（如图8）。这一现象对应发生的反应是：CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2在室温下易溶于水，可解离出自由移动的离子，从而使得溶液中的离子数目增多，离子浓度增大，溶液的电导率又上升。

图7 澄清石灰水变浑浊

图8 浑浊的液体又变澄清

3.浓度较大的澄清石灰水检验二氧化碳时，即使二氧化碳过量，为何石灰水仍浑浊？

其实，实验过程中并不只发生了前一个反应，仍然是两个反应都有发生，这一点通过电导率传感器显示的波形（如图9），也能分析得出结论。

图9

该波形曲线的变化趋势和上一个实验相似。一开始室温下接近饱和的澄清石灰水的电导率为10.061，随着二氧化碳气体的持续通入直至过量，同样发生了两个化学反应：先是Ca（OH）2+CO2==CaCO3↓+H2O，然后CaCO3+CO2+H2O==2Ca（HCO3）2，溶液的电导率快速下降到1.106，然后又上升至3.114，并趋于平稳。而我们在观察实验现象时，整个过程中石灰水一直都是浑浊的，如图10、11 所示，所以从定性的角度很难去解释这一现象，但是通过数字化实验量化分析可以直观、明显地得出结论：反应后所得溶液中离子的浓度低于原溶液，可能是因为第一步反应生成的CaCO3未能完全转化为可溶性的Ca（HCO3）2，使得溶液中离子浓度减小，石灰水仍然浑浊，溶液电导率有上升但不能恢复初始数据。

图10 澄清石灰水变浑浊

图11 继续通入二氧化碳气体，液体仍然浑浊

七、实验优点

1.数字化实验能较为准确、具体地帮助学生理解各种物质，尤其是溶液导电的微观原理，解决了长期以来初中阶段只定性地研究物质导电性实验的问题。与传统实验测定项目相比，操作步骤减少，实验方便，节约时间，学生更能从本质上理解初中重要化合物酸碱盐的定义。

2.通过测定不同浓度澄清石灰水中通入二氧化碳气体后溶液电导率的变化情况，我们了解了某些直观现象背后所看不到的化学反应实质；同时也为学生在化学实验探究过程中遇到的意外现象做出了很好的定量分析和解释，能够激发学生的求知欲和学习兴趣。

3.如果在分组完成课本实验的基础上演示本实验，既能培养学生的动手操作能力、观察能力，又能培养学生的数据分析能力。

数字化实验是化学实验融入信息社会和互联网时代的钥匙。它丰富了我们对化学问题的研究方式，也提升了我们的实验能力和思维能力，让我们有一个更顺畅地引入化学实验信息化、现代化的渠道。每位化学教师都可以不断发挥自己的教学智慧，敢于质疑，大胆创新，不断去整合、完善和更新自己的教学理念。