用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探討某些并存復(fù)分解反應(yīng)的順序

摘要：基于pH傳感技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合平衡常數(shù)和共存離子濃度的計(jì)算與討論，探討了在硫酸和硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉、在稀鹽酸和氯化鈣溶液中滴加碳酸鈉、在碳酸鈉和氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸等過程的pH變化，認(rèn)為這些體系中并存的復(fù)分解反應(yīng)可以看作能先后發(fā)生。這為消除此類教學(xué)盲點(diǎn)和展開類似的探究教學(xué)提供了一些有益的參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；pH傳感器；復(fù)分解反應(yīng)順序；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2013）11–0051–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在近幾年的中考化學(xué)試卷中，類似下題的考查往往給初三化學(xué)帶來了新的教學(xué)盲點(diǎn)。例如（2013年山東日照14題）向燒杯中逐滴加入x溶液至過量（圖甲），生成沉淀或氣體的質(zhì)量與加入x溶液的質(zhì)量關(guān)系符合圖乙的是（ ）。

顯然答案A選項(xiàng)的考查點(diǎn)是復(fù)分解反應(yīng)的發(fā)生有先后順序：稀硫酸和氫氧化鈉反應(yīng)在先，所以開始沉淀不出現(xiàn)，待此中和反應(yīng)結(jié)束后，硫酸銅再和氫氧化鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化銅沉淀。但是在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)由于試管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不清晰（何時(shí)沉淀？沉淀量何時(shí)達(dá)到最大？），所以不能很肯定地得出結(jié)論：到底有沒有明顯的先后反應(yīng)呢？這種“解題思路”若不講學(xué)生中考可能失分，若講心里又沒底，只好含糊地用所謂的“教學(xué)經(jīng)驗(yàn)”告誡學(xué)生：“在兩個(gè)并存的復(fù)分解反應(yīng)體系中，中和優(yōu)先?！边@樣的機(jī)械化教學(xué)顯然有悖于2011版新課標(biāo)“充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教育功能”的理念，不利于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神。能不能用更好的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證？這樣的“經(jīng)驗(yàn)”能不能得到理論解釋呢？我們想到體系中的 pH 是一個(gè)很好的參照對象，它容易被測，數(shù)值穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，而且不受產(chǎn)生沉淀或氣體的干擾。為此設(shè)計(jì)了運(yùn)用基于pH傳感技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，獲得了在稀硫酸和硫酸銅混合溶液中滴加氫氧化鈉時(shí)pH的變化曲線（同上題選項(xiàng)A的情景）。

1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

0.1 mol/L的NaOH溶液、0.1 mol/L的CuSO4溶液、0.1 mol/L的稀硫酸、0.1 mol/L的CuSO4和硫酸混合溶液。

愛迪生公司的pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、安裝Edislab軟件的電腦及鐵架臺(tái)、聚四氟乙烯滴定管、燒杯、磁力攪拌器。

2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）在500 mL的燒杯中盛放20 mL的稀硫酸，加水稀釋至約150 mL。將燒杯放在磁力攪拌器上，調(diào)整鐵架臺(tái)位置。

（2）在滴定管中裝入足量的NaOH溶液，固定在鐵架臺(tái)上，連接好pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，將傳感器放入燒杯中，啟動(dòng)軟件。

（3） 打開磁力攪拌器，滴加NaOH溶液，若滴定管中溶液不足，可繼續(xù)添加。

（4）將稀硫酸換成CuSO4溶液以及CuSO4和硫酸混合溶液。重復(fù)上述操作得到曲線如圖1、2、3所示。

3 討論及計(jì)算

（1）從圖1可以看出pH在2到3之間開始發(fā)生突變，從圖2可以看出pH在6到7之間開始發(fā)生突變，將圖3與圖1和圖2對比可以清楚印證，混合體系中的pH在2到3和6到7之間開始兩次突變。所以，不難理解，氫氧化鈉先與硫酸反應(yīng)，反應(yīng)完全后，溶液呈弱酸性（這是由于硫酸銅溶液本身顯弱酸性的緣故），然后氫氧化鈉再與硫酸銅反應(yīng)形成沉淀，反應(yīng)完全后繼續(xù)滴加，溶液呈強(qiáng)堿性（由于強(qiáng)酸強(qiáng)堿本身具有緩沖性質(zhì)，所以開始和過量時(shí)體系的pH變化緩慢，基本上處于一個(gè)平臺(tái)上）。

2

c（OH-）2=7.20×10-10 mol/L

對比兩組數(shù)據(jù)，可以很明顯地看出，在稀硫酸和硫酸銅溶液中，前者能夠共存的氫氧根離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，所以，在稀硫酸與硫酸銅混合體系中滴加氫氧化鈉時(shí)，稀硫酸確實(shí)先與氫氧化鈉發(fā)生中和反應(yīng)。

4 其他混合體系發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)時(shí)pH的變化和討論

用同樣的方法，我們獲取了在稀鹽酸和氯化鈣混合溶液中滴加碳酸鈉溶液、在氫氧化鈉和碳酸鈉的混合溶液中滴加稀鹽酸時(shí)的pH變化，見圖4、圖5。結(jié)合得出的平衡常數(shù)（方法同上，不列出計(jì)算過程），討論如下：

對照圖4可以看出，一開始體系中的pH就發(fā)生向上的突躍，從約1.9到約7.5。這個(gè)階段發(fā)生的反應(yīng)主要是（Ⅰ）；第二個(gè)階段是在7～8之間的平臺(tái)，對應(yīng)的反應(yīng)主要是（Ⅱ），由于生成物都是中性的鹽，所以pH基本不變；第三個(gè)階段是pH從8到10的上升期，這是過量的碳酸鈉呈堿性的緣故；第四個(gè)階段就是堿性較強(qiáng)的緩沖平臺(tái)。由此也可以認(rèn)為在這個(gè)體系中，碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)優(yōu)先。

（2）在圖5所示的混合體系中，主要發(fā)生的是以下三個(gè)反應(yīng)：

對照圖5可以看出，一開始就有一個(gè)向下的pH突變，從約13.2降到約11，發(fā)生的反應(yīng)主要是（Ⅲ）；第二個(gè)階段是pH從約11到約9的下降期，發(fā)生的反應(yīng)主要是（Ⅳ），但是體系中共存Na2CO3與NaHCO3而有緩沖效果，pH的變化比較緩慢；第三個(gè)階段是pH從約9到約5.7的下降期，此時(shí)主要發(fā)生的是（Ⅴ），但是有CO2溶解在水中，所以還有NaHCO3-H2CO3的緩沖效應(yīng)，體系的pH出現(xiàn)了從約6.8到約5.7的第二個(gè)緩降過程；第四個(gè)階段就是鹽酸的過量而引起的pH快速下降（溶解的CO2大量逃逸）以及第五個(gè)階段強(qiáng)酸性的緩沖平臺(tái)。由此可以認(rèn)為在這個(gè)體系中：鹽酸和氫氧化鈉的反應(yīng)優(yōu)先（即中和優(yōu)先）。

5 結(jié)論

某些中考題中考查復(fù)分解反應(yīng)先后順序的考點(diǎn)，由于缺乏有效的實(shí)驗(yàn)佐證，缺少從熱力學(xué)層面上的討論，已經(jīng)淪為初中化學(xué)教學(xué)的盲點(diǎn)。我們利用基于pH傳感技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，獲取了某些混合反應(yīng)體系的pH變化曲線。有了這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖形，結(jié)合反應(yīng)平衡常數(shù)和共存離子濃度的計(jì)算討論，可以使教學(xué)獲得多方位的支撐：教師可以有理有據(jù)地傳授知識(shí)，學(xué)生可以借助圖形分析，啟迪思維，提升能力；可以讓教學(xué)從“感性”走向“理性”，讓學(xué)習(xí)從“盲從”變?yōu)椤懊骼怼薄?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1][2]傅獻(xiàn)彩等.物理化學(xué)（第五版，上冊）[M].北京：高等教育出版社，2005：附錄表17～18.