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

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 AgNO3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约为1）盐桥abS复习与考试研究 复习与考试研究 51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：/）三、实验数据分析1.利用能斯特方程对图像进行定量探究选择-20 mA20 mA量程的电流传感器，测量出300 s内2Fe3+2I-2Fe2+I2该反应在正常反应过程中加入1 mol/L AgNO3以及1 mol/L的FeSO4后的电流变化。图4实验理论与实际图像差异电流/mA分析得知，在相同条件下，基于该氧化还原反应的原电池产生的平均电流值仅有0.11 mA，该反应过程中电流先增大后降低逐渐平稳，这是由于反应开始时只有部分溶液参与反应，为反应的起始点，到达最高点时全部溶液参与反应，电流达到峰值，随着反应的继续进行，逐渐达到平衡点电流下降最后趋于不变。该反应Fe3+为正极溶液，I-为负极溶液，根据氧化还原反应电位，（Fe3+/Fe2+）为0.77 V，（I2/I-）为0.54V，在非标准状态下电池电动势E=0.11 V，电流为正向电流，在图像X轴上方。又由于G=-nEF=-RTlnK，nE=0.059 lgK，该反应的K107.8。可知该反应在标准状态下反应很彻底，故要想使反应方向发生逆转，需要在非标准状态下进行反应，即控制外界因素不变，改变反应离子浓度，进而改变反应的电流方向及大小。在加入1 mol/L AgNO3后，电流值恰好发生了突跃，由正向平衡电流突跃至负向电流，电流大小由0.11 mA变至-0.04 mA，反应趋势与第一段趋势相似，逐渐平衡，电流趋近于0，但此段图像与理论不符。分析原因如下：由于Ag+I=AgI，反应生成沉淀，根据能斯特方程（I2/I-）=（I2/I-）-0.059 lgc（I-），在加入1 mol/L AgNO3后c（I-）=Ksp（AgI）=9.310-17mol/L，带入能斯特方程可知（I2/I-）=1.54 V，此时（I2/I-）（Fe3+/Fe2+），正负极对调，E=（I2/I-）-（Fe3+/Fe2+）=1.54 V-0.77 V=0.77 V0.11 V，产 生 的 负 向 电 流 绝 对 值 应 大 于0.11mA，故理论电流值应如图4中所示的黑色（稍粗）曲线。而实际图像中为对应时间内的红色（稍细）曲线，由于产生的AgI为稳定黄色沉淀，Ksp很小，使得溶液中剩余的c（I）仅有9.310-17mol/L，溶液的电导率需要以离子浓度作为支撑，对于几乎不存在I-的情况下，电池内阻较大，产生的电流非常小，在加入1mol/L的 FeSO4后，由能斯特方程，（Fe3+/Fe2+）=（Fe3+/Fe2+）+0.059 lg c（Fe3+）/c（Fe2+），此时非标准状态（Fe3+/Fe2+）=0.63V，正极仍为I-，负极为 Fe3+，该反应的非标准态电动势E=（I2/I-）-（Fe3+/Fe2+）=1.54 V-0.63 V=0.91 V，图像再次突跃且为三段电流中电动势最大的一段，而此反应中由于加入溶液FeSO4，溶液中离子浓度大，故电阻较小，产生的电流值也较大，平均电流-0.38 mA，故形成了有两段突跃值的电流曲线，如图4所示。2.利用化学平衡原理对图像进行定性解释在2Fe3+2I-2Fe2+I2反应中，由上述定量分析可知，该反应的K很大，故反应很彻底，几乎不存在可逆性，Fe3+为正极，I-为负极，产生的电流恒为正向电流。但在减少反应物浓度以及增加生成物浓度后，该反应存在可逆倾向，即在加入AgNO3后，使得Ag+与I-结合成AgI沉淀，溶液中的反应物c（I-）急剧减小，使得化学平衡向左移动，反应逆向进行，I-为正极，Fe3+为项目正极溶液加入0.1 mol/L FeSO4正极溶液加入0.5 mol/L FeSO4正极溶液加入1 mol/L FeSO4正极溶液加入1.5 mol/L FeSO4正极溶液加入2 mol/L FeSO4平均电流/mA-0.21-0.29-0.38-0.42-0.49表3正极溶液加入不同浓度电解液0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.50.1 mol/L0.5 mol/L1 mol/L1.5 mol/L2 mol/LAgNO3FeSO4c/（mol/L）I/（mA）图3加入不同浓度电解液下溶液中的平均电流复习与考试研究 复习与考试研究 52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：/）负极，则会产生负向电流，待该反应再次达到平衡，加入FeSO4后，溶液中的生成物c（Fe2+）增大，化学平衡再次向左移动，I-为正极，Fe3+为负极，继续产生负向电流，最终第三次达到化学平衡。四、实验结论与应用1.实验结论根据能斯特方程，可通过改变氧化型或还原型的浓度，改变电极电势大小，进而实现氧化还原反应中反应物与生成物的转化。2.实验应用在实验设备方面，采取数字化实验的科学方法，利用微型传感器精确研究浓度微小变化带来的影响，引入电流传感器，通过物理中电流电阻的动态表征对实验结论进行全局性判断，4赋予化学实验新思维，新感知。数字化实验的应用也更为广泛，数字化实验在中学化学教学的价值将逐渐被体现出来。5在中学教学方面，探究化学平衡载体下的氧化还原反应是利用能斯特方程作为衔接桥梁，以氧化型或还原型的浓度作为宏观变量，揭示了氧化还原反应在热力学判据中的实质，即电极电势的差值。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。同时，氧化还原与化学平衡的联系是很广泛的，如在制备氯气中选择浓盐酸作为强氧化剂与二氧化锰进行反应，在日常生活中手机锂离子电池充放电原理的应用问题等，解答此类综合性问题需要学生综合运用氧化还原和化学平衡知识。将氧化还原反应的热力学判据即电极电势与影响化学平衡移动的外界因素即离子浓度进行结合，有利于实现化学学科中“微粒观”与“变化观”的协同建构与多项整合，进而完成对学生的多维度考查，还可以丰富学生对于氧化还原反应的认知，对发展学生的化学学科核心素养大有裨益。参考文献1 岳可芬，王小芳.外界条件对化学平衡的影响在物理化学中的内容 A.中国化学会化学热力学和热分析专业委员会.中国化学会第十五届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要 C.中国化学会化学热力学和热分析专业委员会：中国化学会，2010：2.2 杨晓琳，高修库，赵浏.运用能斯特方程定量分析影响物质氧化性与还原性的因素 J.高中数理化，2020（Z2）：123-126.3 郑长龙.化学学科理解与“素养为本”的化学课堂教学J.课程 教材 教法，2019，39（09）：120-125.4 周薇，王兆龙.特殊电化学现象的热力学分析 J.中学化学，2020（07）：39-40.5 裴传友，马善恒，杨芹.中学化学数字化实验的发展与应用 J.化学教学，2020（02）：56-60.热原理。引导学生掌握金属腐蚀的条件，构建并完善电化学认知模型。本研究解决了以下两大问题：第一，传统实验中对于蒸汽眼罩发热需要氧气的参与这一结论，主要是通过系统内压强减少及理论分析得出，但却始终无法真实观察到氧气含量下降，缺乏说服力，而通过数字化实验，利用氧气传感器，在数据采集器上可真实观察氧气含量曲线的下降趋势，优化了此实验，体现了科学的严谨性。第二，传统实验中由于电流表量程大，无法测量其微小电流，因此所需实验用品量较大，而且产物只能通过理论得出，无法通过实验验证，但本实验通过电流传感器可测量出微小电流，大大减少了实验用品，并通过自行组装一个微型实验装置，可在其铁丝和碳棒两电极滴加检测试剂、通过试剂变色现象，得出产物，使实验简单易懂易操作，提高了学生的实验探究兴趣。参考文献1 张立国.高中化学新课程教学中问题情境创设策略探究J.新课程，2020（11）：110.2 李燃，林红焰，魏锐，等.高中化学电负性的项目式教学甲醛的危害与去除 J.化学教育（中英文），2022，43（5）：9.3 王旭斌.“化学反应与能量转化专题复习”项目式教学暖身贴的原理探究 J.化学教与学，2021（07）：73-77.4 洪清娟.基于提升初三学生化学思维品质的项目式学习设计以探秘铁粉型的暖贴为例 J.化学教与学，2019（07）：18-21.（上接第28页）复习与考试研究 复习与考试研究 53