高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作能力及科研精神培養(yǎng)——以測試未知鹽酸溶液濃度為例

◆雷華

滴定法是高中化學(xué)課標(biāo)中的一個(gè)重要組成部分，使用滴定法測量未知鹽酸溶液濃度的實(shí)驗(yàn)，是每個(gè)高中生都必須完成的課程實(shí)驗(yàn)。但是在本實(shí)驗(yàn)中通過對課程的深入挖掘，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和培養(yǎng)科研精神的非常好的素材。本文對該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)書做了補(bǔ)充，體現(xiàn)出教改工作中較新的思維。

在化學(xué)上，分析實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)非常重要的實(shí)驗(yàn)，通過一些簡單的分析實(shí)驗(yàn)來掌握化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)思路、研究思路等，是高中化學(xué)課標(biāo)中非常重要的一個(gè)組成部分，也是高中化學(xué)課程中給予學(xué)生最大幫助的課程部分之一。用滴定法測試未知鹽酸溶液濃度的實(shí)驗(yàn)，是一種非常典型的分析實(shí)驗(yàn)，這個(gè)分析實(shí)驗(yàn)經(jīng)過化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的簡化，既能讓學(xué)生熟練掌握操作要領(lǐng)，又不乏化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)的探索性。因此，本實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)高中學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和科研精神方面，有著非常直接的幫助作用。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過酸堿雙向滴定的方式來測試一瓶未知濃度的稀鹽酸溶液的濃度。因?yàn)榈味▽?shí)驗(yàn)是一種操作精細(xì)度要求很高的化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，所以希望通過本實(shí)驗(yàn)來鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，并培養(yǎng)學(xué)生的科研精神。因?yàn)楦咧谢瘜W(xué)中的滴定實(shí)驗(yàn)以強(qiáng)酸滴定實(shí)驗(yàn)最為簡單，所以選擇一種未知濃度的鹽酸溶液，讓學(xué)生使用酚酞作為指示劑，來用滴定法較為精確地測試出溶液的濃度。

由于滴定實(shí)驗(yàn)的特殊性，該實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生的操作要求非常精確，可以很好地鍛煉學(xué)生的動手操作能力。而因?yàn)榈味▽?shí)驗(yàn)本身的重復(fù)性和枯燥性，也可以考驗(yàn)學(xué)生在科研實(shí)驗(yàn)中的耐心和責(zé)任心，對于培養(yǎng)學(xué)生的科研精神有著較大的幫助。

2 實(shí)驗(yàn)原理

利用化學(xué)中的強(qiáng)酸強(qiáng)堿完全反應(yīng)原理，假設(shè)KHP中的KHC8H4O4完全與NaOH發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而生成中性的KNaC8H4O4，也就導(dǎo)致了在使用NaOH溶液滴定標(biāo)準(zhǔn)的KHP溶液時(shí)，初期的pH值會恒等于7，而直到KHP完全反應(yīng)后pH值才開始升高。那么，在酚酞溶液開始變紅時(shí)，就表明KHP在這一滴的過程中發(fā)生完全反應(yīng)。也就是說，這一滴定誤差小于0.036 ml（按照28滴計(jì)算）。與6 ml左右的低定量計(jì)算，0.036 ml的誤差率約為0.45%，完全符合高中分析實(shí)驗(yàn)的要求。

同樣道理，假設(shè)在酸性溶液中滴入已知濃度的NaOH溶液，酸性溶液中完全電離的H+離子，遇到NaOH中的OH-離子會完全反應(yīng)，因?yàn)榈稳氲腛H-數(shù)量在初期不足以反應(yīng)掉酸性溶液中的全部H+離子，所以在滴定初期溶液繼續(xù)呈現(xiàn)酸性。在滴定過程中對溶液要反復(fù)晃動，使其得到充分反應(yīng)，避免因?yàn)榉磻?yīng)不充分出現(xiàn)局部堿性的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)中先用KHP標(biāo)定NaOH的濃度，再用NaOH標(biāo)定HCl的濃度。方程式如下：

KHC8H4O4+NaOH===KNaC8H4O4+H2O（1）

HCl+NaOH===NaCl+H2O（2）

首先使用精準(zhǔn)配置的KPO3溶液對NaOH做出標(biāo)定，使用堿性滴定管滴定法滴定至KPO3溶液中的酚酞指示劑不再變色。然后使用堿性滴定管滴定未知濃度HCl溶液，至酚酞指示劑在溶液中恰好變紅不再褪色為準(zhǔn)。

3 儀器、試劑

主要儀器：分析天平1臺；250 ml錐形瓶3個(gè)；50 ml量筒1個(gè)；50 ml堿性滴定管1支；滴定鐵架臺1臺；玻璃棒1根；100 ml小燒杯一個(gè)；250 ml容量瓶1個(gè)；25 ml移液管1個(gè)；膠頭滴管1支；

主要試劑：分析純KHP 3.0 g；分析純NaOH 5.0 g；1 mol/L HCl 150 ml；分析純蒸餾水300 ml；分析純酚酞5.0 g。

4 實(shí)驗(yàn)過程

1）用減量法稱取0.4～0.6 g的KHP 3份，分別置于250 ml的錐形瓶中，加入30～40 ml蒸餾水，攪拌，使之完全溶解。該步實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是制作3份濃度完全不同的KHP溶液。因?yàn)閷?shí)際與NaOH發(fā)生反應(yīng)的是溶液中的KHP，而不是溶液本身，所以，溶液的濃度并不重要，只需要用分析天平測量溶液中的KHP質(zhì)量就可以了。因?yàn)镵HP的mol重為204.2 g所以，根據(jù)KHP的重量，可以很容易得到KHP的mol數(shù)。

2）往錐形瓶中加酚酞指示劑2～3滴，用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈微紅色30 s不褪色即為終點(diǎn)，記錄NaOH的終讀數(shù)。平行做3次，計(jì)算NaOH的濃度。酚酞的作用是在堿性溶液中呈現(xiàn)紅色，而在酸性和中性溶液中呈現(xiàn)無色。使用堿性溶液滴定中性和酸性溶液時(shí)，當(dāng)溶液呈現(xiàn)微弱堿性時(shí)，酚酞指示劑就會變色，提示溶液pH值大于7的瞬間。只備酚酞指示劑時(shí)，對于指示劑的濃度并沒有太多要求，一般每毫升指示劑中添加0.05 g左右的酚酞即可。一般情況下，都是取大約5毫升蒸餾水，然后用藥匙的小匙添加2～3藥匙即可。

3）用移液管移取25.00 ml未知濃度的HCl溶液，置于250 ml容量瓶中，用蒸餾水稀釋到刻度，搖勻。定比例稀釋未知濃度液體的實(shí)驗(yàn)方法，是化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中的常用方法，這樣可以得到更多的實(shí)驗(yàn)試劑，而且通過一定的反算方法，還不影響對化學(xué)試劑的分析。

4）洗滌移液管和錐形瓶。用移液管移取25.00 ml容量瓶中的試劑于250 ml錐形瓶中，加2～3滴酚酞指示劑，用已知濃度的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈微紅色30 s不褪色即為終點(diǎn)，記錄NaOH的終讀數(shù)。平行做3次，計(jì)算HCl的濃度。

5 相關(guān)計(jì)算

如表1所示，采用酚酞作指示劑，溶液顏色由無色滴至微紅色計(jì)算公式：

C(NaOH)=(m×1000)/(204.2×V)（3）

表1 NaOH濃度測量表

如表2所示，采用酚酞作指示劑，顏色由無色滴到微紅色計(jì)算公式：

C(HCl)=10×(C(NaOH)×V)/25（4）

6 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)難點(diǎn) 因?yàn)橥ㄟ^滴定法測定未知濃度鹽酸溶液濃度的實(shí)驗(yàn)屬于化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)對于操作精度的要求特別高，這對本來很少有機(jī)會接觸化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的操作能力的考驗(yàn)也就比較嚴(yán)格。很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了跳步和漏步的現(xiàn)象，最終不得不返工重新開始。也有大約一成左右的學(xué)生直到下課也沒有做完整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，最終不得不放棄。

表2 HCl濃度測量表

另外，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采取了兩次滴定法，實(shí)驗(yàn)原理比較難以理解，導(dǎo)致一部分學(xué)生不理解實(shí)驗(yàn)的過程，只是照著實(shí)驗(yàn)計(jì)劃一步一步地做流程，這就失去了實(shí)驗(yàn)本身的意義。

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是通過已知mol量，通過滴定的方式和已知的強(qiáng)酸強(qiáng)堿進(jìn)行中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)來求測未知的mol量，這個(gè)過程正是反應(yīng)了滴定法的本質(zhì)，也就是V/V的本質(zhì)。通過滴定實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是得到了滴定用的溶液體積的比例，然后通過這一比例來推算發(fā)生了完全反應(yīng)的方程式兩邊物質(zhì)的消耗量。今后走上工作或者科研崗位，在自行設(shè)計(jì)滴定實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，應(yīng)該充分考慮到滴定實(shí)驗(yàn)的這一本質(zhì)，可以幫求出兩組溶液之間的V/V關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)通過平均值法得到最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這也告訴學(xué)生通過收集足夠多次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以幫助擺脫因?yàn)椴僮髡`差造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差。這也讓學(xué)生在今后走上科研崗位之后，在進(jìn)行自行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法使自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加具有客觀性和真實(shí)性。

實(shí)驗(yàn)心得 在本次實(shí)驗(yàn)中，筆者知道了精細(xì)操作和實(shí)驗(yàn)責(zé)任心對于一個(gè)實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵作用，雖然這次實(shí)驗(yàn)僅僅是一次普通的課程實(shí)驗(yàn)，但是這次實(shí)驗(yàn)使筆者對自己的責(zé)任心進(jìn)行了一次重新的審視?？赡茉诮窈笞呱峡蒲袓徫恢?，很多實(shí)驗(yàn)是非常枯燥的重復(fù)工作，但是這些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性可能是非同小可的，因?yàn)橛辛俗銐蚨啻螖?shù)的平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，科研工作才可以更加接近真相。

[1]于榮華.普通高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施現(xiàn)狀及改進(jìn)對策的研究[D].遼寧:遼寧師范大學(xué),2012.

[2]左嘉平.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究[D].天津:天津師范大學(xué),2012.