“Crocodile Chemistry”在“酸碱中和滴定”实验教学中的应用

杨毅旭+沈甸

摘要：强酸与强碱、强酸与弱碱等中和反应之间存在何种差异，运用真实实验或是pH传感器等难以进行平行的对比实验。鉴于课堂演示实验现象不明显、不易把控等问题，在学生亲自实验的基础上，以化学软件“Crocodile Chemistry”为工具，模拟多种类型的酸碱中和滴定，引导学生深入思考、把握本质，体验不同类型中和反应之间的不同。

关键词：实验教学；酸碱中和滴定；化学软件；Crocodile Chemistry

文章编号：1005–6629（2017）2–0078–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学教学中也自然离不开实验。在实验过程中，学生可获取直观的感性认识，发现问题，思考问题，然后运用化学知识解决问题。由于中学化学实验条件的限制，有些实验现象不明显，如酸碱滴定过程中pH的变化，强酸与强碱、强酸与弱碱在滴定过程中pH变化的差异等问题，给学生理解酸碱滴定的原理带来了一定困难。

1 教材中酸碱中和滴定的实验

“酸碱中和滴定”是一个探究性定量实验，既是中学化学教学的重点内容，也是高考化学考查的热点内容。

图1是酸碱中和滴定的实验装置示意图，也是酸碱中和滴定实验中最为经典的实验装置。利用这一实验装置进行课堂演示实验，往往会出现以下问题：（1）难以把控滴定终点，容易出现失误；（2）pH突跃时间短，无法重复呈现，导致学生印象不深；（3）酸碱中和反应有多种类型，如一元强碱和多元酸的反应，强碱与弱酸或强酸与弱碱的反应等。这些反应的终点，以及达到反应终点时所消耗的强酸或强碱的量与一元强酸强碱的反应存在着何种不同，真实实验难以给学生一个直观的比较以促进其理解，而这些反应往往又是教学中的难点。

2 酸碱中和滴定实验文献分析研究

为应对实验教学的问题，产生了诸多新的实验手段，如视频实验、手持技术、仿真实验软件等，给化学实验教学带来了生机。

李新义在“手持技术在酸碱中和滴定终点判定中的应用”一文中[1]，利用温度传感器和电导率传感器的实时检测功能，借助数据采集器和计算机直接绘制数据曲线，便捷、直观地反映出中和反应过程中温度和电导率的变化，并利用软件技术找到酸碱中和滴定的终点，不仅减少了指示剂种类和浓度的误差，而且避免了人为因素的干扰，弥补了中学教材准确测定滴定终点方法的空缺，提高了测定的准确性和科学性。由于该实验需要借助多种先进仪器，一般学校难以配备，因而大范围地推广运用存在一定的困难。

魏锐等在“利用pH传感器研究中和反应过程中pH的突变”一文中[2]，利用pH传感器的实时检测功能，借助数据采集器和计算机直接生成数据曲线，便捷、直观地反映了中和反应过程中的pH變化，帮助学生认识“突变”的存在，较好地促进了学生的理解。但运用传感器的实验往往是针对一个中和反应体系所进行的，难以同时对不同类型酸碱中和滴定进行实时对比，故而在体验不同类型中和反应之间的差异上存在一定的局限性。

鉴于上述问题，本文拟以英国公司开发的Crocodile Chemistry模拟实验软件为工具，设计与教材内容相匹配的酸碱中和滴定系列实验，给化学教学提供借鉴与参考。采用该实验模拟软件，可以相对客观而又理想化地模拟反应进程与关键节点，将不同反应中所消耗的滴定酸或碱的量清晰地呈现出来，以便于学生理解酸碱滴定终点以及所消耗的酸与碱的量的比例关系，帮助学生在课堂上从宏观和微观两个角度同时观察反应的现象与原理，从而引导学生深入思考、把握本质，促进学生的深度学习，发展学生的分析能力[3，4]。

3 运用“Crocodile Chemistry”软件模拟“强酸、弱碱中和滴定”的教学设计

[师]同学们，我们知道，酸碱中和反应的实质为：H++OH-=H2O，但是，这是否意味着所有的一元酸、一元碱在中和反应时，当酸碱的用量满足1：1时，溶液恰好为中性呢？

[生]不一定吧！

[师]大家有疑问？想一想，有没有什么好的解决办法？

[生]用实验来验证一下最直接。

[师]大家的想法非常好，由于运用pH传感器难以进行平行的对比实验，下面老师借助Crocodile Chemistry实验软件为大家模拟一下用0.01 mol/L HCl溶液以相同的速度同时滴定20mL 0.01 mol/L NaOH溶液与20mL 0.01 mol/L NH3·H2O溶液时溶液pH的变化，选用甲基橙为指示剂，请仔细观察盐酸的用量及两者滴定终点之间的差异。

[生]认真注视屏幕（图2）。

[师]大家观察到了什么？请说说看。

[生1]盛放氨水的烧杯率先变红。

[生2]盐酸与氨水反应pH突跃的时间较氢氧化钠早。

[生3]反应到达终点的时间：氨水<氢氧化钠。

[生4]反应到达终点时盐酸的用量：氨水<氢氧化钠。

[师]大家说的都很对，让我们把反应的pH图像放大（图3），通过对比可以清楚地看到，用等浓度的HCl溶液以相同速率滴定等量的一元碱NH3·H2O和NaOH时，与氨水率先到达反应终点，而且n（HCl）

[生]讨论并提出一处关键区别：NH3·H2O为弱碱、NaOH为强碱。

[师]两者区别在哪里？

[生] NH3·H2O为弱碱只能部分电离，NaOH为强碱，在溶液中完全电离。

[师]说的很好，但酸碱中和反应的过程酸的加入促进了氨水的电离，因此碱性的强弱并不影响反应的产物与进程；那原因到底在哪里呢？请再观察图像，看看还能发现点什么。

[生]反应滴定终点的产物与两者按1：1反应的产物不同。

[师]怎么不同？说说看！

[生]当HCl与NH3·H2O按1：1完全反应后，溶液中溶质应为NH4Cl，从图像上可以看出溶液的pH<7；但滴定达到终点时，用去的盐酸小于20mL，产物应为NH4Cl和NH3·H2O，溶液的pH=7；NH3·H2O显碱性，是否意味着HCl与 NH3·H2O生成的盐NH4Cl是显酸性的。

[师]完全正确，在我们的印象中，大多数盐溶液是显中性的，比如NaCl、KNO3，但盐溶液一定都显中性吗？

[生]不是，比如纯碱Na2CO3，它不是碱而是盐，但其水溶液显碱性。

[师]说的很好，正是由于产物NH4Cl显酸性，为使溶液显中性，氨水需要有剩余，故而使得HCl消耗量减少，反应到达终点的时间提前。

[师]事实上很多盐的水溶液并不显中性，可能呈酸性，可能呈堿性。下节课我们将深入学习盐的组成与水解知识。

4 总结

通过上述实验对比，可以发现，运用Crocodile Chemistry模拟本实验的优点在于：实验过程可将宏观反应现象与微观进程相结合，有利于学生把握酸碱中和反应的实质，特别是在强酸、弱碱中和滴定以及强碱、弱酸中和滴定问题上有优势。

当然，真实实验给学生带来的真实感受是模拟实验永远无法实现的。不能完全以模拟实验技术、录像实验等代替真实实验。

参考文献：

[1]李新义.手持技术在酸碱中和滴定终点判定中的应用[J].化学教学，2013，（6）：45～47.

[2]魏锐，包明，王磊，刘强，范林，宋万琚，刘秀丰.利用pH传感器研究中和反应过程中pH的突变[J].化学教育，2007，（4）：59～61.

[3]曹晶伟，沈甸.化学软件Crocodile Chemistry在“化学反应速率”实验教学中的应用[J].化学教学，2012，（11）：20～22，26.

[4]蔡邦宏.功能强大的化学实验模拟软件——Crocodile Chemistry 309 [J].计算机应用与软件，2007，（12）：128～129.