初中化学实验明矾净水

高中化学·鲁科版选修四

数字化实验探究明矾净水与盐的水解

一、实验教学分析

1、教学内容分析

盐的水解属于山东科技出版社新编教材选修四 《化学反应原理》，第3章“物质在水溶液的行为”，第2节“弱电解质的电离 盐类的水解”，明矾净水在必修一《化学》第2章第1节“物质的分类”中也提到过。然而在实际教学过程中，学生能够观察到的实验现象是十分有限的，一般教师会由此现象直接告诉学生，并没有相关的实验事实说明，缺乏有效的实验事实。

2、学生学情分析

盐的水解是高中阶段的重点和难点，胶体在高一时候只是大概学习一下，原理性东西没有充分理解，此时通过盐的水解生成胶体净水对学生而言难度很大。教学过程中大多是直接告诉学生在明矾水解能净水，依据维果茨基的“最近发展区理论”，这显然已经超出了学生的现有潜在认知水平，所以学生在处理该知识点时只能通过机械记忆。

所以，为了解决这一难题，在书本实验的基础上结合手持技术设计实验。通过实验过程的跟踪，展示给学生的不仅仅是结果还有反应过程。同时和书本实验完美结合，在实际教学过程中有很强的实用性。

二、实验部分

1、实验原理

明矾之所以能净化天然水，是因明矾溶解于水后产生的Al3+与天然水中的 HCO3-发生双水解反应，生成了氢氧化铝胶体，氢氧化铝胶体将水中悬浮的杂质吸附聚沉。

2、实验仪器与药品

实验仪器：电脑、朗威数据采集器、浊度传感器（配套反应装置）、药匙

实验药品：明矾、硫酸铁、碳酸氢钠、蒸馏水

3、实验步骤

①　用烧杯、胶头滴管等实验仪器，配制所需要的试剂，并配制4份浊水

②　用PH传感器测量试剂的PH，且在实验过程中测量净水过程中PH变化

③　将浊度传感器、数据采集器、电脑相连，打开DISLab 6.9实验数据处理软件，设置坐标为纵坐标为浊度，横坐标为时间，用浊度传感器监测净水过程中4份浊水溶液浊度的变化

4、实验结果与讨论

溶液浊度变化随反应时间的变化曲线如图1所示，分析数据得出：

(1) 1号反应容器内浊度为蓝色线条，几乎没有变，说明溶液为悬浊液均一稳定；

(2) 2号反应容器内浊度为红色线条，有变化，但是不明显，说明明矾可以净水，不过按照书本的做法净水比较慢；

(3) 3号反应容器内浊度为绿色线条，变化很明显，在136秒发生明显变化，说明加入碳酸氢钠后与明矾发生双水解，从而加快沉降速率；

(4) 4反应容器内浊度为黑色线条，在65秒就有明显变化，而且是肉眼可见的溶液变澄清，说明三价铁的水解能力强于三价铝离子。

通过数据分析可以得出以下结论：

1、影响明矾净水效果的因素 ：水温 、水的pH、水中杂质的性质和浓度、明矾的用量等；

2、明矾中Al3+水解净水，加入HCO3-促进水解净水效果更好；

3、同等浓度的Fe3+和Al3+比较，Fe3+水解程度更深，净水效果更好；

4、胶体不能吸附有色离子。

5、实验改进要点

利用浊度传感器对明矾净水是的浊度进行跟踪检测，绘制浊度与反应时间变化曲线，通过控制变量法得出结论，实现了实验过程的可视化、微型化、动态化、家庭化。

三、实验教学内容

1、实验教学目标

（1）、通过分析4种溶液净水能力实验研究的学习，提高对化学学习的兴趣，形成对分步进行的化学反应的初步认识，提高应用所学知识解决实际问题的能力；

（2）、通过浊度与反应时间的数据学会分析数据、读图、数据分析能力，初步认识应用手持技术的实验的实验装置组成；

（3）、通过对比书本实验和教学实验，提高的设计、评价、处理等实验综合能力。

2、教学重难点

教学重点：掌握铝离子水解成胶体可以净水，不同离子水解能力不一样且相互影响；

教学难点：根据浊度变化与时间关系，分析数据、图表，从而得出结论。

3、实验教学过程

（1）创设情景 激发思维

[课堂引入] 《交流•研讨》：

取3个烧杯，各盛大半烧杯浑浊的天然水(湖水、河水或井水等)，向其中2个烧杯中各加入3药匙明矾粉末，搅拌溶解后，静置 ，观察现象。在实际教学中往往需等待时间较久，且净水效果并不理想。

（2）以书为本 发现问题

[小组试验] 学习讨论书本中的关于明矾净水的实验研究。并进行书本实验，发现实验过程中出现的问题。

[现象汇报] 实验过程中明矾净水特别慢，若是课堂实验，效率太低。

[提出问题] 通过什么办法可以加快净水速率，如何观察，能不能通过传感器探究？

（3）学习新知 拓展思路

[获取新知] 明矾之所以能净化天然水，是因明矾溶解于水后产生的Al3+与天然水中的 HCO3-发生双水解反应，生成了氢氧化铝胶体，氢氧化铝胶体将水中悬浮的杂质吸附聚沉。明矾中Al3+水解净水，加入HCO3-促进水解净水效果更好，同等浓度的Fe3+和Al3+比较，Fe3+水解程度更深，净水效果更好。浊度传感器是一种用于测量溶液浑浊程度的装置，搭配朗威数据采集器可以获取实时的浊度。

（4）观察实验 思考论证

[演示实验] 用烧杯、胶头滴管等实验仪器，配制所需要的试剂，并配制4份浊水；用PH传感器测量试剂的PH，且在实验过程中测量净水过程中PH变化；将浊度传感器、数据采集器、电脑相连，打开DISLab 6.9实验数据处理软件，设置坐标为纵坐标为浊度，横坐标为时间，用浊度传感器监测净水过程中4份浊水溶液浊度的变化

[形成结论] 将悬浊液的酸度调节在 PH=9.4～11.0之间，明矾的用量不宜过多， 15mL只需2d～4d，滴加2d-3d饱和NaHCO3溶液效果更佳。

（5）学以致用 用于实践

[学以致用] 明矾中Al3+水解净水，加入HCO3-促进水解净水效果更好，同等浓度的Fe3+和Al3+比较，Fe3+水解程度更深，净水效果更好，胶体不能吸附有色离子。所以在生活中常通过明矾来净水，硫酸铁也可以净水，事实上，硫酸铁是用于自来水净化的高级净水剂。

四、实验效果反思与评价

将数字化实验技术应用课堂教学，可以激发学习兴趣，培养学生的探究思维。传感器将化学反应本质转化为可监测信号，帮助我们更深入地研究化学现象和反应的本质，并且直接用数字软件获取其变化曲线，数据量化，更科学、更直观、更准确。

由于我校实验室条件的限制，所配制反应物的纯度可能不够精确，所以数据的采集存在不足的地方，希望各位老师批评指正，本次探究的数据仅供参考。