基于能斯特方程探究可逆氧化还原反应模型——以三价铁离子与碘离子反应的数字化实验为例.pdf
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1、化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)一、问题的提出“氧化还原”是高中化学学习的基础核心概念,贯穿了整个高中化学学习过程,亦是化学“微粒观”建构的核心支点。“化学平衡”主要研究的对象为化学反应的限度以及影响化学平衡的因素,在化学基础理论中同样占据极其重要的地位,1是化学“变化观”建构的主要途径。两者均居于学生认知结构体系的中心位置,是知识、素养建构的主要基点。将两个核心理论进行融合即对氧化还原反应可逆性的探讨是近年高考命题的热点。该类题目综合性强,在文献和历年真题中均有涉及,例如在2015年北京卷中,题目考查了离
2、子在不同浓度下氧化性以及还原性的强弱,再如在2019年北交大附中期中测试中,相关题目考查了在NaClO2与HCl反应中酸度越大,生成物含量越大的原因。因此,正确理解影响物质氧化性、还原性的因素是突破该类问题的重点。而深刻剖析物质在不同外界条件下氧化性以及还原性的强弱问题则需引入能斯特方程作为理论支撑,该原理虽然在高中阶段并未涉及,但是却是支撑命题人实验设计和设问的理论依据。2在能斯特方程中,通过浓度这一宏观变量构建出既满足平衡转化又体现微粒转移的可逆氧化还原反应的体系模型,实现对“微粒观”和“变化观”的整体表征,通过对模型的探究,进一步深化氧化还原反应在教学中的实际应用,体现了化学学科理解中本
3、原性、结构化的认识价值。3二、实验方案的设计与实施1.实验原理本文以2Fe3+2I-2Fe2+I2作为探究对象,建构基于浓度改变量的可逆氧化还原反应的模型。实验使用石墨电极,正极电解液为Fe2(SO4)3,负极电解液为KI,连接盐桥以及导线构成闭合回路,形成原电池(实验装置如图1所示)。用控制变量的方法使外界条件如温度、压强保持不变。由于(Fe3+/Fe2+)和(I2/I-)为标准状态下的电极电势,故本实验在恒温水浴的环境下进行,使温度控制在25 左右。通过加入其他溶液,改变反应物或生成物离子浓度,进而改变化学平衡的移动方向,并使用电流传感器来表征反应的进行情况。2.实验过程(1)药品的配制使
4、用分析天平称取0.4150 g KI固体,使用250 mL容量瓶配制0.01 mol/L KI溶液,并将溶液转移至棕色试剂瓶中备用。再使用分析天平称取 0.5000 g Fe2(SO4)3固体置于100 mL烧杯内,加入适量稀硫酸溶解,并将溶液pH调至约为1;再使用250 mL容量瓶将其配制成0.005 mol/L的Fe2(SO4)3溶液,将溶液转移至棕色试剂瓶中备用。使用分析天平称取 8.4936 g AgNO3固体,使用50 mL容量瓶配制1 mol/L AgNO3溶液。并以此类推,基于能斯特方程探究可逆氧化还原反应模型*以三价铁离子与碘离子反应的数字化实验为例田一鸣廖志刚*(哈尔滨师范大
5、学化学化工学院黑龙江 哈尔滨150025)摘要:氧化还原与化学平衡均为高中化学的核心概念,将氧化还原与化学平衡的相关知识进行整合,会展示出丰富的化学信息。能斯特方程作为氧化还原反应的基本原理,构成了实现学生“微粒观”与“变化观”协同建构和多向整合的中介桥梁,使学生思维产生连锁化效应,可以深度激发化学认知,有效发展学生的化学核心素养。关键词:氧化还原;化学平衡;能斯特方程;核心素养文章编号:1008-0546(2022)12x-0050-04中图分类号:G632.41文献标识码:Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.012*本文系中国教育学会2021年规划
6、课题,黑龙江省高等教育教学改革项目(SJGY20190349)的阶段性研究成果。*通信联系人,E-mail;复习与考试研究 复习与考试研究 50化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)分别制得 0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.5 mol/L 和 2 mol/LAgNO3溶液。再使用分析天平称取27.8020 g FeSO47H2O固体置于100 mL烧杯中,加入足量稀硫酸与适量蒸馏水,二者体积之和需小于100 mL。将该烧杯置于磁力搅拌器上进行搅拌至固体溶解。待完全溶解后转移至100 mL容量瓶中,加入
7、蒸馏水至刻度线定容、摇匀,制得1 mol/L FeSO4溶液。以此类推,分别制得0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.5 mol/L和2 mol/L的FeSO4溶液。此时浓度变量溶液已经制备完毕。用电子天平称取3.0 g琼脂固体于250 mL烧杯中加入97 mL的饱和KCl溶液后,置于电炉上加热,用玻璃棒不断搅拌至琼脂完全融化,趁热将琼脂-饱和KCl溶液转移至U型管中,待其冷却至室温浸泡于饱和KCl溶液中备用,此时盐桥制备完毕。(2)原电池的组装分别取20 mL 0.01 mol/L的KI溶液和0.005 mol/L的Fe2(SO4)3溶液置于两个100 mL烧杯中,将烧杯放置于恒温水浴
8、锅中,并在恒温水浴锅中加入足量的水及至水线没过两烧杯内溶液液面高度,再取一支量程为50 的温度计置于烧杯中,打开恒温水浴锅的开关,将旋钮旋至加热,注意观察温度计示数,至22 时立刻将按钮旋至恒温,利用余热将温度可控在25,按照实验装置将预备好的盐桥放置在两烧杯间,底端没入烧杯液面以下,将碳棒分别插入烧杯,连接电流传感器,形成闭合回路,构成原电池。(3)改变原电池中反应物及生成物浓度对平衡影响的探究安装好装置后,打开 DISLab7.2 软件,点击仪表按钮,开始实验。用电流传感器采集数据并观察图像,待图像变动幅度趋于稳定时,向KI溶液中加入1mol/L AgNO3溶液,观察图像变化,待其再次趋于
9、稳定后向Fe2(SO4)3溶液中加入1 mol/L FeSO4溶液,继续观察图像变化,数据图像如图2所示,实验数据见表1。图2不同浓度下的实验图像电流/mA项目不加其他溶液负极溶液加入1 mol/L AgNO3正极溶液加入1 mol/L FeSO4平均电流/mA0.11-0.04-0.38表1正负极加入标准浓度电解液控制右侧加入FeSO4溶液浓度保持1 mol/L,采取浓度梯度方式,分四次向左侧溶液中加入0.1 mol/L、0.5 mol/L、1.5 mol/L和2 mol/L AgNO3溶液,观察图像趋势,待平稳后完成第二次实验,收集到的实验数据见表2。项目负极溶液加入0.1 mol/L A
10、gNO3负极溶液加入0.5 mol/L AgNO3负极溶液加入1 mol/L AgNO3负极溶液加入1.5 mol/L AgNO3负极溶液加入2 mol/L AgNO3平均电流/mA-0.02-0.03-0.04-0.06-0.1表2负极溶液加入不同浓度电解液控制左侧加入AgNO3溶液浓度保持1 mol/L,同理加入相同浓度梯度的FeSO4溶液,观察图像,待平稳后完成第三次实验。收集到的实验数据见表3,整理实验数据,实验仪器及药品。将表2、表3数据以浓度为X轴,平均电流为Y轴,绘制成图像,如图3所示。图1实验装置0.01 molL-1KI溶液0.005 molL-1Fe2(SO4)3溶液(pH
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