AgCl溶解平衡的实验探究与教学建议
2022-06-08
摘要：采用以传感技术为主的实验方法，多角度探究了AgCl在水中的溶解状况、溶解平衡的存在和移动，期望用实验事实来帮助学生建立难溶电解质溶解平衡概念，促进学生认识方式的转变。同时在分析教材的基础上，提出了教学实践中遇到的问题，并提供了相应的教学改进建议。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：AgCl溶解平衡；实验探究；教学建议；传感技术
文章编号：1005?6629（2014）3?0056?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
人教版教材《化学反应原理》中，有关“难溶电解质的溶解平衡”主要研究的是难溶电解质（以AgCl为例）在水中溶解平衡的建立和应用。在该单元的教学中，通过实验探究，将具体知识的学习、观念建构和问题解决有机结合起来，可以帮助学生建立微粒观、动态平衡观和定量观等核心化学观念[1]，促进学生认识方式的转变，提升对复分解反应（有沉淀参与和生成类）本质的认识水平。
难溶电解质在水中可表现为：有极少量的溶解，存在溶解平衡，条件改变时平衡移动。教学研讨中大家普遍认为其中的教学难点是“有极少量的溶解”，即微粒观的建立。
笔者尝试过利用镁条与Ag+的置换反应，试图通过AgCl溶解平衡的正向移动，得到易于观察的宏观实验现象来佐证AgCl在水中“有溶解”。实验方法如图1所示，将AgCl沉淀置于锥形滤纸内，并浸泡在其滤液中，盛滤液的烧杯内放有镁条；同时在另一烧杯中有纯水浸泡的镁条作空白对照。实验结果如图1所示，30分钟后近距离观察能见到镁条失去银白色光泽；18小时后，镁条明显变色，并且烧杯底部有银单质出现。由此佐证AgCl在水中“有溶解”。因该常规方法难以得到即时的实验结果，所以还应探寻其他实验方法应用于课堂教学。
笔者查阅了相关数据，例如25℃时，水的电离常数Kw=1.0×10-14，AgCl的溶度积Ksp=1.8×10-10，通过比较、分析后认为，两者在数量级上有一定差别，利用电导率传感器、微电流传感器来描述AgCl在水中的表现应具备可行性，同时以FeS作辅助素材，可以帮助学生清晰地认识难溶电解质溶解平衡这一本质及其化学规律。
1 实验探究
1.1 实验设计思路
由于电导率传感器不适于高温下测试，所以笔者又采用石墨棒作电极，利用微电流传感器进一步测试了AgCl在纯水中随温度变化的情况。
1.2 实验仪器及试剂
仪器：数据采集器，电导率传感器，微电流传感器，温度传感器，石墨棒，磁力加热搅拌器，1号碱性电池，导线，150 mL烧杯等
试剂：5% KCl溶液，2% AgNO3溶液，纯水，FeS（分析纯），0.5% K3[Fe（CN）6]溶液，2 mol/L NaOH溶液等
1.3 实验方法
1.3.1 样品及电极的处理
AgCl的制取：在3 mL 5% KCl溶液中加入3 mL 2% AgNO3溶液，生成AgCl白色沉淀，充分搅拌后采用倾泻法过滤，用纯水洗涤、过滤沉淀10次左右，直至其滤液用AgNO3溶液检测不出Cl-为止，将AgCl浸泡在少量纯水中待用。
FeS的处理：将FeS固体研磨至细粉后，用纯水洗涤、过滤，清洗其中的可溶性杂质，重复10次左右，直至其滤液的电导率与纯水近似为止。
石墨棒的处理：取洁净的石墨棒在纯水中煮沸，清洗其中的可溶性杂质，重复2～3次。
1.3.2 探究FeS在水中的溶解状况
取少量FeS在纯水中搅拌、过滤，用K3[Fe（CN）6]溶液或NaOH溶液检测滤液中是否含有Fe2+。
1.3.3 探究AgCl浊液电导率的变化
装置如图2所示，固定电导率传感器在烧杯中，烧杯中加入约80 mL纯水、一个搅拌磁子，确保传感器探头全部浸没在水中。
以电导率为纵轴，时间为横轴，开启搅拌器，同步采集两组样本的数据（如图4所示）。一组样本采集流程为：纯水→加入少量AgCl→加水稀释→加入少量FeS；另一组样本是FeS浊液。
1.3.4 探究通过AgCl浊液的微电流的变化
装置如图3所示，固定石墨棒、温度传感器在烧杯中，烧杯中加入约80mL纯水、一个搅拌磁子，用一节1号碱性电池作直流电源，用导线将微电流传感器、石墨棒电极、直流电源串联在一起。
以微电流、温度为纵轴，时间为横轴，开启搅拌器，同步采集两种数据（如图5所示）。实验采集流程为：纯水→加入少量AgCl→逐渐升温至沸腾后采集结束。
按上述方法连接各种仪器，采集纯水在温度升高时的电离情况[2]作为空白对照（如图6所示）。
2 实验结果及数据分析
2.1 FeS在水中的溶解状况
在FeS的滤液中滴加K3[Fe（CN）6]溶液后变蓝；滴加NaOH溶液后有灰绿色沉淀产生。说明FeS的滤液中有Fe2+存在，从而证实FeS在水中有极少量溶解。
2.2 AgCl浊液电导率的变化情况
采集到的数据如图4中上图所示，在纯水中加入AgCl时，体系的电导率值略有增加，并稳定在一定数值。说明AgCl在水中有溶解，其溶解程度大于纯水的电离，且浓度稳定。
用水稀释上述浊液后，体系的电导率几乎不变。说明AgCl在水中的溶解存在动态平衡。
在上述体系中加入少量经处理的FeS，体系的电导率立刻大幅增加，随着时间的延续，电导率还在不断上升。说明AgCl、FeS的溶解平衡都发生了正向移动，在同一体系中，两者电离出的极少量离子（Ag+、S2-）相互成为对方溶解平衡正向移动的促进因素，所以两种难溶电解质都在不断溶解，并转化成了更难溶的Ag2S沉淀（Ksp=6.3×10-50），于是体系中自由移动的Cl-、Fe2+不断增加。 综合以上事实，说明AgCl在水中有极少量溶解，其溶解存在动态平衡，当条件改变时平衡发生移动。
2.3 AgCl浊液随温度变化的情况
采集到的数据如图5所示，室温时测得通过纯水的微电流为6，加入AgCl后，数值立即增大至10，并且在温度恒定时数值不变，说明AgCl在水中有溶解，其溶解大于纯水的电离，且浓度稳定。
升高温度后，测得通过AgCl浊液的电流逐渐增大，并且显著超过单独测定纯水电离时的数值（见图6），说明AgCl的溶解程度也在增大；当温度升至浊液沸腾时，温度不变，通过浊液的电流也稳定下来，达到最大值157，超出纯水最大值数倍之多，说明此时AgCl的溶解也趋于稳定，其溶解出的自由离子远大于纯水电离出的离子。
根据以上实验数据，可以认为AgCl在水中有极少量溶解；在一定温度下，AgCl的溶解是一种平衡状态；升高温度可以促进AgCl的溶解平衡。
综合实验1.3.2、实验1.3.3和实验1.3.4的结果，可以从不同角度证实难溶电解质在水中可表现为：有极少量的溶解（实验1.3.2、实验1.3.3和实验1.3.4），存在溶解平衡（实验1.3.3和实验1.3.4），条件改变时平衡移动（实验1.3.3和实验1.3.4）。
3 问题讨论
3.1 关于FeS
市售分析纯的FeS，其含量一般在80%以上，因其在潮湿空气中易被氧化成四氧化三铁和硫单质，所以取用时应取块状研磨，并充分洗涤其中极少量的可溶性杂质。
能检出FeS溶解出的Fe2+，一是因为Fe2+与K3[Fe（CN）6]生成的深蓝色物质KFe[Fe（CN）6]极难溶（Ksp=3.3×10-41）；二是因为Fe2+与NaOH生成的Fe（OH）2在碱性环境中易被氧化，逐步形成红褐色的难溶物Fe（OH）3（Ksp=4×10-38）。
在FeS的滤液中滴加AgNO3溶液，稍加振荡后微微发黑，不足以说明有S2-存在。因为AgNO3溶液本身是氧化剂，也易分解，当遇到Fe2+、S2-两种还原性离子时更易析出单质银，所以不宜使用此方法检测S2-。
在FeS的滤液中加入Na2S溶液时，能看到溶液明显变黑，但因Na2S溶液呈弱碱性，能使Fe2+形成氢氧化物沉淀，产生的黑色物质成分较复杂，所以应回避该方法来佐证溶解平衡的移动。
3.2 关于AgCl浊液的电导率（或微电流）
从理论上说，纯水中投入AgCl后，电导率（或微电流）的数值应有更大增幅变化才符合两个常数（Kw、Ksp）之间的数量级之差，但因很难获取高纯度的纯水，所以这种差距被缩小了。
4 教学建议
4.1 教材分析
人教版教材《化学反应原理》中，有关“难溶电解质的溶解平衡”一节中有两个内容标题：一、Ag+和Cl-的反应真能进行到底吗？二、沉淀反应的应用。从内容上来看，主要分为难溶电解质溶解平衡概念的建立和应用两部分。教材上共安排了3个实验，但是均出现在应用部分，而在最难理解的概念建立部分却只安排了一个“思考与交流”栏目，提供了一些电解质的溶解度数据，让学生谈谈对“溶”与“不溶”的理解，并结合对溶解度及反应限度、化学平衡原理的认识，说明生成沉淀的离子反应是否能真正进行到底。笔者认为，教材在概念建立部分存在两个很明显的缺陷：第一是用生成难溶物的离子之间的反应能否进行到底来代替难溶电解质的溶解度小且存在溶解平衡问题，人为地将问题复杂化，给本就难以理解的概念增加难度。第二是缺乏必要的实验事实作为证据，教材上对此问题的解释完全是文字陈述性描述，学生只能接受。
4.2 教师通常的教学处理
教师在教学中为了解决以上问题，通常将应用部分的实验前置，以实验现象创设认知冲突，引发学生的思考。但是在教学研讨中，教师也提出质疑，人教版教材上的实验3-3、3-4、3-5的实验现象说明难溶电解质能够少量溶解并与加入的物质反应生成新的物质，但是并不能说明难溶电解质的溶解平衡的存在以及溶解平衡的移动。
4.3 教学改进建议
教学改进的重点放在如何创设情境引发问题、对出现的问题提出假设和猜想、用实验数据作为证据论证假设、得出相应的结论，也就是用探究的方式开展学习。
4.3.1 探究AgCl的溶解平衡
为了便于说明教学的具体环节和流程，用以下图示表示教学过程和设计意图（见图7）。
4.3.2 探究影响难溶电解质溶解平衡的其他因素
先让学生根据已有知识进行假设，影响难溶电解质溶解平衡的其他因素及其影响效果，学生根据已有的电离、水解平衡知识不难预测温度的影响及效果。再通过实验1.3.4展示温度影响难溶电解质溶解平衡的情况。
4.3.3 难溶电解质溶解平衡的应用重在分析过程和符号表达
概念建立后需要在应用中加深理解，可以用人教版教材中的实验3-3、3-5进行预测、分析和实验验证实现教学目标，把教学的重点放在分析过程上和符号表达上。
4.3.4 还应该提到易溶电解质也存在着溶解和结晶平衡
电解质普遍存在着溶解平衡，不同的是易溶的电解质存在的是溶解和结晶平衡，难溶的电解质存在的是溶解和沉淀平衡，在教学中教师指出此问题，对于学生建立新旧知识之间的联系，深化对溶解平衡的理解是有帮助的。
在概念原理教学中，巧妙地创设情境，引发认知冲突，引导学生有逻辑地展开思维和推理，合理的假设和预测，精心设计实验提供证据，得出相应的结论，用这样的探究学习方式优化概念原理教学，提高学生的思维能力，是值得提倡的做法。
参考文献：
[1]何彩霞.整体把握和实施观念建构的化学教学研究[J].中学化学教学参考，2011，（7）：14.
[2]张红英.利用微电流传感器探索水的电离[J].中国多媒体教学学报，2009，（1）.
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关键词：AgCl溶解平衡；实验探究；教学建议；传感技术
文章编号：1005?6629（2014）3?0056?04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
人教版教材《化学反应原理》中，有关“难溶电解质的溶解平衡”主要研究的是难溶电解质（以AgCl为例）在水中溶解平衡的建立和应用。在该单元的教学中，通过实验探究，将具体知识的学习、观念建构和问题解决有机结合起来，可以帮助学生建立微粒观、动态平衡观和定量观等核心化学观念[1]，促进学生认识方式的转变，提升对复分解反应（有沉淀参与和生成类）本质的认识水平。
难溶电解质在水中可表现为：有极少量的溶解，存在溶解平衡，条件改变时平衡移动。教学研讨中大家普遍认为其中的教学难点是“有极少量的溶解”，即微粒观的建立。
笔者尝试过利用镁条与Ag+的置换反应，试图通过AgCl溶解平衡的正向移动，得到易于观察的宏观实验现象来佐证AgCl在水中“有溶解”。实验方法如图1所示，将AgCl沉淀置于锥形滤纸内，并浸泡在其滤液中，盛滤液的烧杯内放有镁条；同时在另一烧杯中有纯水浸泡的镁条作空白对照。实验结果如图1所示，30分钟后近距离观察能见到镁条失去银白色光泽；18小时后，镁条明显变色，并且烧杯底部有银单质出现。由此佐证AgCl在水中“有溶解”。因该常规方法难以得到即时的实验结果，所以还应探寻其他实验方法应用于课堂教学。
笔者查阅了相关数据，例如25℃时，水的电离常数Kw=1.0×10-14，AgCl的溶度积Ksp=1.8×10-10，通过比较、分析后认为，两者在数量级上有一定差别，利用电导率传感器、微电流传感器来描述AgCl在水中的表现应具备可行性，同时以FeS作辅助素材，可以帮助学生清晰地认识难溶电解质溶解平衡这一本质及其化学规律。
1 实验探究
1.1 实验设计思路
由于电导率传感器不适于高温下测试，所以笔者又采用石墨棒作电极，利用微电流传感器进一步测试了AgCl在纯水中随温度变化的情况。
1.2 实验仪器及试剂
仪器：数据采集器，电导率传感器，微电流传感器，温度传感器，石墨棒，磁力加热搅拌器，1号碱性电池，导线，150 mL烧杯等
试剂：5% KCl溶液，2% AgNO3溶液，纯水，FeS（分析纯），0.5% K3[Fe（CN）6]溶液，2 mol/L NaOH溶液等
1.3 实验方法
1.3.1 样品及电极的处理
AgCl的制取：在3 mL 5% KCl溶液中加入3 mL 2% AgNO3溶液，生成AgCl白色沉淀，充分搅拌后采用倾泻法过滤，用纯水洗涤、过滤沉淀10次左右，直至其滤液用AgNO3溶液检测不出Cl-为止，将AgCl浸泡在少量纯水中待用。
FeS的处理：将FeS固体研磨至细粉后，用纯水洗涤、过滤，清洗其中的可溶性杂质，重复10次左右，直至其滤液的电导率与纯水近似为止。
石墨棒的处理：取洁净的石墨棒在纯水中煮沸，清洗其中的可溶性杂质，重复2～3次。
1.3.2 探究FeS在水中的溶解状况
取少量FeS在纯水中搅拌、过滤，用K3[Fe（CN）6]溶液或NaOH溶液检测滤液中是否含有Fe2+。
1.3.3 探究AgCl浊液电导率的变化
装置如图2所示，固定电导率传感器在烧杯中，烧杯中加入约80 mL纯水、一个搅拌磁子，确保传感器探头全部浸没在水中。
以电导率为纵轴，时间为横轴，开启搅拌器，同步采集两组样本的数据（如图4所示）。一组样本采集流程为：纯水→加入少量AgCl→加水稀释→加入少量FeS；另一组样本是FeS浊液。
1.3.4 探究通过AgCl浊液的微电流的变化
装置如图3所示，固定石墨棒、温度传感器在烧杯中，烧杯中加入约80mL纯水、一个搅拌磁子，用一节1号碱性电池作直流电源，用导线将微电流传感器、石墨棒电极、直流电源串联在一起。
以微电流、温度为纵轴，时间为横轴，开启搅拌器，同步采集两种数据（如图5所示）。实验采集流程为：纯水→加入少量AgCl→逐渐升温至沸腾后采集结束。
按上述方法连接各种仪器，采集纯水在温度升高时的电离情况[2]作为空白对照（如图6所示）。
2 实验结果及数据分析
2.1 FeS在水中的溶解状况
在FeS的滤液中滴加K3[Fe（CN）6]溶液后变蓝；滴加NaOH溶液后有灰绿色沉淀产生。说明FeS的滤液中有Fe2+存在，从而证实FeS在水中有极少量溶解。
2.2 AgCl浊液电导率的变化情况
采集到的数据如图4中上图所示，在纯水中加入AgCl时，体系的电导率值略有增加，并稳定在一定数值。说明AgCl在水中有溶解，其溶解程度大于纯水的电离，且浓度稳定。
用水稀释上述浊液后，体系的电导率几乎不变。说明AgCl在水中的溶解存在动态平衡。
在上述体系中加入少量经处理的FeS，体系的电导率立刻大幅增加，随着时间的延续，电导率还在不断上升。说明AgCl、FeS的溶解平衡都发生了正向移动，在同一体系中，两者电离出的极少量离子（Ag+、S2-）相互成为对方溶解平衡正向移动的促进因素，所以两种难溶电解质都在不断溶解，并转化成了更难溶的Ag2S沉淀（Ksp=6.3×10-50），于是体系中自由移动的Cl-、Fe2+不断增加。 综合以上事实，说明AgCl在水中有极少量溶解，其溶解存在动态平衡，当条件改变时平衡发生移动。
2.3 AgCl浊液随温度变化的情况
采集到的数据如图5所示，室温时测得通过纯水的微电流为6，加入AgCl后，数值立即增大至10，并且在温度恒定时数值不变，说明AgCl在水中有溶解，其溶解大于纯水的电离，且浓度稳定。
升高温度后，测得通过AgCl浊液的电流逐渐增大，并且显著超过单独测定纯水电离时的数值（见图6），说明AgCl的溶解程度也在增大；当温度升至浊液沸腾时，温度不变，通过浊液的电流也稳定下来，达到最大值157，超出纯水最大值数倍之多，说明此时AgCl的溶解也趋于稳定，其溶解出的自由离子远大于纯水电离出的离子。
根据以上实验数据，可以认为AgCl在水中有极少量溶解；在一定温度下，AgCl的溶解是一种平衡状态；升高温度可以促进AgCl的溶解平衡。
综合实验1.3.2、实验1.3.3和实验1.3.4的结果，可以从不同角度证实难溶电解质在水中可表现为：有极少量的溶解（实验1.3.2、实验1.3.3和实验1.3.4），存在溶解平衡（实验1.3.3和实验1.3.4），条件改变时平衡移动（实验1.3.3和实验1.3.4）。
3 问题讨论
3.1 关于FeS
市售分析纯的FeS，其含量一般在80%以上，因其在潮湿空气中易被氧化成四氧化三铁和硫单质，所以取用时应取块状研磨，并充分洗涤其中极少量的可溶性杂质。
能检出FeS溶解出的Fe2+，一是因为Fe2+与K3[Fe（CN）6]生成的深蓝色物质KFe[Fe（CN）6]极难溶（Ksp=3.3×10-41）；二是因为Fe2+与NaOH生成的Fe（OH）2在碱性环境中易被氧化，逐步形成红褐色的难溶物Fe（OH）3（Ksp=4×10-38）。
在FeS的滤液中滴加AgNO3溶液，稍加振荡后微微发黑，不足以说明有S2-存在。因为AgNO3溶液本身是氧化剂，也易分解，当遇到Fe2+、S2-两种还原性离子时更易析出单质银，所以不宜使用此方法检测S2-。
在FeS的滤液中加入Na2S溶液时，能看到溶液明显变黑，但因Na2S溶液呈弱碱性，能使Fe2+形成氢氧化物沉淀，产生的黑色物质成分较复杂，所以应回避该方法来佐证溶解平衡的移动。
3.2 关于AgCl浊液的电导率（或微电流）
从理论上说，纯水中投入AgCl后，电导率（或微电流）的数值应有更大增幅变化才符合两个常数（Kw、Ksp）之间的数量级之差，但因很难获取高纯度的纯水，所以这种差距被缩小了。
4 教学建议
4.1 教材分析
人教版教材《化学反应原理》中，有关“难溶电解质的溶解平衡”一节中有两个内容标题：一、Ag+和Cl-的反应真能进行到底吗？二、沉淀反应的应用。从内容上来看，主要分为难溶电解质溶解平衡概念的建立和应用两部分。教材上共安排了3个实验，但是均出现在应用部分，而在最难理解的概念建立部分却只安排了一个“思考与交流”栏目，提供了一些电解质的溶解度数据，让学生谈谈对“溶”与“不溶”的理解，并结合对溶解度及反应限度、化学平衡原理的认识，说明生成沉淀的离子反应是否能真正进行到底。笔者认为，教材在概念建立部分存在两个很明显的缺陷：第一是用生成难溶物的离子之间的反应能否进行到底来代替难溶电解质的溶解度小且存在溶解平衡问题，人为地将问题复杂化，给本就难以理解的概念增加难度。第二是缺乏必要的实验事实作为证据，教材上对此问题的解释完全是文字陈述性描述，学生只能接受。
4.2 教师通常的教学处理
教师在教学中为了解决以上问题，通常将应用部分的实验前置，以实验现象创设认知冲突，引发学生的思考。但是在教学研讨中，教师也提出质疑，人教版教材上的实验3-3、3-4、3-5的实验现象说明难溶电解质能够少量溶解并与加入的物质反应生成新的物质，但是并不能说明难溶电解质的溶解平衡的存在以及溶解平衡的移动。
4.3 教学改进建议
教学改进的重点放在如何创设情境引发问题、对出现的问题提出假设和猜想、用实验数据作为证据论证假设、得出相应的结论，也就是用探究的方式开展学习。
4.3.1 探究AgCl的溶解平衡
为了便于说明教学的具体环节和流程，用以下图示表示教学过程和设计意图（见图7）。
4.3.2 探究影响难溶电解质溶解平衡的其他因素
先让学生根据已有知识进行假设，影响难溶电解质溶解平衡的其他因素及其影响效果，学生根据已有的电离、水解平衡知识不难预测温度的影响及效果。再通过实验1.3.4展示温度影响难溶电解质溶解平衡的情况。
4.3.3 难溶电解质溶解平衡的应用重在分析过程和符号表达
概念建立后需要在应用中加深理解，可以用人教版教材中的实验3-3、3-5进行预测、分析和实验验证实现教学目标，把教学的重点放在分析过程上和符号表达上。
4.3.4 还应该提到易溶电解质也存在着溶解和结晶平衡
电解质普遍存在着溶解平衡，不同的是易溶的电解质存在的是溶解和结晶平衡，难溶的电解质存在的是溶解和沉淀平衡，在教学中教师指出此问题，对于学生建立新旧知识之间的联系，深化对溶解平衡的理解是有帮助的。
在概念原理教学中，巧妙地创设情境，引发认知冲突，引导学生有逻辑地展开思维和推理，合理的假设和预测，精心设计实验提供证据，得出相应的结论，用这样的探究学习方式优化概念原理教学，提高学生的思维能力，是值得提倡的做法。
参考文献：
[1]何彩霞.整体把握和实施观念建构的化学教学研究[J].中学化学教学参考，2011，（7）：14.
[2]张红英.利用微电流传感器探索水的电离[J].中国多媒体教学学报，2009，（1）.