Na2CO3水解過程溶液pH與溫度關(guān)系的探究

摘要：鹽類水解是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，溫度升高會促進(jìn)鹽類的水解，其水解后的pH會增大，但是以碳酸鈉溶液為例，通過手持技術(shù)測定，溫度升高，溶液pH發(fā)生了先增大后減小的變化趨勢。通過理論分析和數(shù)學(xué)計算，探究其異常變化的原因，得出用溶液pH的變化來判斷水解程度的變化是不科學(xué)的。

關(guān)鍵詞：碳酸鈉水解；溶液pH與溫度關(guān)系；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：1005–6629（2013）12–0057–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題提出

在中學(xué)化學(xué)中鹽類的水解是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是高考中的熱點(diǎn)和必考的知識點(diǎn)，鹽類水解的規(guī)律之一是“越熱越水解”，即溫度越高水解程度越大，相應(yīng)的鹽溶液的酸性或堿性就會隨著增大或減小。在傳統(tǒng)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，鹽類水解在隨著溫度升高時所產(chǎn)生的pH的細(xì)微變化很難測量，所以教師在教學(xué)過程中也只能定性地加以描述，對問題的認(rèn)識僅停留在表層。隨著科技的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)條件的更新，數(shù)字傳感技術(shù)由于其靈敏度高，操作簡單，便于捕捉實(shí)驗(yàn)中的微小變化等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了迅速的普及。鹽類水解所造成的pH的微小變化便可以用數(shù)字傳感器進(jìn)行測量[1]，對Na2CO3溶液依據(jù)“越熱越水解”的規(guī)律，升高溫度促進(jìn)其水解，相應(yīng)的溶液pH就會增

大。那么事實(shí)果真如此嗎？

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：計算機(jī)、威尼爾全功能數(shù)據(jù)采集器、威尼爾溫度傳感器（型號TMP-BTA）、威尼爾pH傳感器、磁力加熱攪拌器。

實(shí)驗(yàn)試劑：1.0 mol/L和0.1 mol/L的碳酸鈉溶液；1.0 mol/L醋酸鈉溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖1所示，先將磁力加熱攪拌器和pH傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連，再將裝有碳酸鈉溶液的燒杯置于磁力加熱攪拌器上，并放入小磁子，把溫度和pH傳感器插入溶液中。當(dāng)打開計算機(jī)軟件、磁力攪拌器及數(shù)據(jù)采集器后，測定的溫度和pH的變化通過數(shù)據(jù)采集器可即時在計算機(jī)中顯示出來。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）用25 mL移液管量取25 mL 1.0 mol/L碳酸鈉溶液注入100 mL燒杯中，并放入磁力攪拌子。

（2）打開電腦軟件，用濾紙將pH傳感器（蒸餾水洗凈）擦干凈后插入燒杯中。

（3）開啟磁力攪拌器，緩慢攪拌。點(diǎn)擊采集按鈕，采集溶液pH數(shù)據(jù)。

（4）重復(fù)以上操作，分別測量0.1 mol/L碳酸鈉溶液和1.0 mol/L醋酸鈉溶液的pH。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下圖是用威尼爾公司生產(chǎn)的pH傳感器測出的1.0 mol/L碳酸鈉溶液的pH隨溫度的變化曲線：

從圖2中可以看出pH隨溫度的升高先變大再變小，并不是隨著溫度的升高一直增大。這和慣常的想法有很大的差異，是濃度的問題？我們又用pH傳感器測出0.1 mol/L碳酸鈉溶液的pH隨溫度的變化曲線：

從圖3中可看出溶液pH隨溫度的升高先變大再變小，也不是隨著溫度的升高一直增大。

這種現(xiàn)象是不是Na2CO3溶液獨(dú)有的呢？我們又用1.0 mol/L醋酸鈉溶液做了一次實(shí)驗(yàn)得到如下圖像：

圖像更是令人詫異，居然沒有升高！從圖像可看出醋酸鈉溶液的pH隨溫度的升高逐漸減小，也不是隨著溫度的升高一直增大，說明對于碳酸鈉溶液的pH隨溫度的變化而出現(xiàn)的減小的情況并不是偶然現(xiàn)象。

通過以上三幅實(shí)驗(yàn)圖像可知，像碳酸鈉溶液這樣的強(qiáng)堿弱酸鹽溶液水解后的pH并不是隨溫度升高而增大。對于碳酸鈉溶液，是先增大后減小，而對于醋酸鈉溶液則是逐漸減小的。難道“越熱越水解”錯了？為此，我們進(jìn)行了理論和數(shù)據(jù)分析。

2.5 數(shù)據(jù)分析

為什么碳酸鈉溶液水解pH會出現(xiàn)下降的趨勢呢？是因?yàn)閮x器的問題嗎？為此我們專門請教了威尼爾公司的儀器設(shè)計的專家，得到的回復(fù)是：在20℃和80℃之間測定的數(shù)值都是準(zhǔn)確可信的。

對此我們進(jìn)行了深入的思索，得出了自己的觀點(diǎn)。下面就以碳酸鈉溶液為例加以說明。

根據(jù)pH=-lg[H+]可知，pH的變化無非是因?yàn)镠+濃度的變化，從圖中可以看出溶液pH先增大后減小，所以H+濃度先減小后增大。那么為什么Na2CO3溶液

綜上，我們可以得出強(qiáng)堿弱酸鹽及強(qiáng)酸弱堿鹽都存在類似情況，所以在平時教學(xué)過程中，不能簡單說水解程度越大，溶液pH就增大或減小，具體問題一定要通過實(shí)驗(yàn)測定，或者理論計算得出結(jié)論。

4 反思

對于上述計算1.0 mol/L Na2CO3溶液的過程中人為地忽略了CO23-的二級水解和人為地假定CO3 2-的濃度保持不變，其濃度的真實(shí)變化無從知曉，對計算的實(shí)際影響無法預(yù)測。

另外此方法只解釋了鹽溶液的酸堿性隨溫度的升高而下降，但無法解釋1.0 mol/L Na2CO3溶液的pH隨溫度的升高所出現(xiàn)的先增大后減小的現(xiàn)象事實(shí)。

對于上述實(shí)驗(yàn)探究，我們體會到手持技術(shù)既克服了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器難以測量和儲存的弊端，又可以精確、實(shí)時地把真實(shí)的數(shù)據(jù)和過程展示出來，避免了一些認(rèn)識上的誤區(qū)。

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