利用數(shù)字傳感技術(shù)繪制酸堿中和滴定曲線

宗國平

[摘 要]利用pH數(shù)字傳感技術(shù)繪制酸堿中和滴定曲線，可感受滴定過程中的“突變”，體會強(qiáng)弱電解質(zhì)滴定曲線的不同，并學(xué)會利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行探究。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字傳感技術(shù) 酸堿中和滴定 曲線

[中圖分類號] G633.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 16746058（2015）260101

一、問題的提出背景

中學(xué)化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出“要在配有圖形計算器或掌上電腦（掌上實驗室）和信息傳感器的學(xué)校，推廣在化學(xué)實驗中使用圖形計算器或掌上電腦（掌上實驗室）和信息傳感器，并應(yīng)用于課堂教學(xué)中，特別是應(yīng)用于研究性學(xué)習(xí)中”。數(shù)字傳感技術(shù)作為一種應(yīng)用較為先進(jìn)、實用性強(qiáng)、便于操作、集數(shù)據(jù)采集與分析于一體的實驗系統(tǒng)，若能廣泛應(yīng)用于研究性實驗，既體現(xiàn)新課改下教育思想與理念的轉(zhuǎn)變，又符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律。蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》中的繪制酸堿中和滴定曲線，恰好可以利用這一技術(shù)，將滴定過程中pH的變化情況借助計算機(jī)以圖像的形式顯示出來，即直接繪制滴定曲線，體會pH“突變”范圍，同時還可以進(jìn)一步探索強(qiáng)弱電解質(zhì)滴定中和曲線的不同。

二、實驗儀器和試劑

課堂設(shè)計：6個小組，分組實驗。

實驗器材：pH傳感器、

數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)、磁力攪拌器、滴定管等。

試劑：蒸餾水、0.1000mol/L鹽酸、0.1000mol/L氫氧化鈉溶液、0.1000mol/L醋酸、0.1000mol/L碳酸鈉溶液。

三、課堂實錄片斷及反思

片斷一：傳統(tǒng)繪制酸堿中和滴定曲線

師：同學(xué)們，上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了酸堿中和滴定的方法和實驗，今天我們一起來學(xué)習(xí)酸堿中和滴定的曲線繪制方法。請每個小組選取課本P75中的兩個體積進(jìn)行計算。

PPT：0.1000mol/L鹽酸滴定0.1000mol/L氫氧化鈉溶液20.00mL時的數(shù)據(jù)如下表所示。

小組展示：滴入5.00、10.00、19.95、20.05、22.00、30.00毫升鹽酸時，pH的計算過程。

師：通過計算，各小組有什么發(fā)現(xiàn)？

小組發(fā)言：在恰好中和的點，少加一滴和多加一滴pH相差很大，而之前和之后的變化比較小。

師：很好，根據(jù)以上10個點，請大家在坐標(biāo)紙上繪制鹽酸滴定氫氧化鈉的pH變化曲線。

小組展示：評選曲線平滑，作圖準(zhǔn)確的小組。

PPT展示：

小組總結(jié)：通過曲線可知，在酸堿滴定時，選擇的指示劑變色范圍在突變范圍內(nèi)，就不會造成太大的誤差。

【反思】學(xué)生通過繪制曲線，熟悉pH的計算方法和技巧，體會“突躍”的過程，同時也發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點較少，曲線不平滑的缺點，從而提出實驗測定的思路。

片斷二：傳感技術(shù)繪制酸堿中和滴定曲線

師：現(xiàn)在我們將利用pH傳感器實時監(jiān)測鹽酸滴定氫氧化鈉和醋酸滴定氫氧化鈉溶液過程中pH的變化情況，并借助計算機(jī)繪制pH曲線，平行兩組做對比實驗，并找出兩種曲線的不同，說明理由。

小組實驗：兩個小組按照圖1所示組裝實驗裝置，燒杯里加入20mL0.1000mol/L氫氧化鈉溶液，上面的注射滴管中分別加入0.1000mol/L鹽酸、0.1000mol/L醋酸，進(jìn)行對比實驗。

小組總結(jié)：

1.醋酸滴定時的曲線突躍范圍小。

2.鹽酸滴定氫氧化鈉滴定終點pH等于7，而醋酸滴定氫氧化鈉滴定終點pH約為9。

3.由曲線的變化也可判斷醋酸是弱酸，醋酸鈉水解呈堿性。

師：各小組實驗觀察和總結(jié)都做得很好，下面我們利用pH傳感器借助計算機(jī)繪制氫氧化鈉分別滴定鹽酸和醋酸的曲線，小組觀察并討論曲線中提供的信息。

小組實驗：兩個平行小組按照圖1所示組裝實驗裝置，上面的注射滴管中加入0.1000mol/L氫氧化鈉溶液，燒杯里分別加入20mL0.1000mol/L鹽酸、0.1000mol/L醋酸進(jìn)行對比實驗。

小組總結(jié)：

1.兩組曲線顯示仍然是氫氧化鈉滴定醋酸的曲線突躍范圍小。

2.氫氧化鈉滴定鹽酸終點pH約為7，而氫氧化鈉滴定醋酸終點pH約為9。

3.由曲線的變化也可判斷醋酸是弱酸，醋酸鈉水解呈堿性。

師：指示劑選擇上有不同嗎？

小組反饋：強(qiáng)酸強(qiáng)堿間的滴定，可以用甲基橙和酚酞，但是弱酸強(qiáng)堿間的滴定應(yīng)該選擇酚酞（變色范圍為8～10）。

【反思】1.通過計算機(jī)繪制曲線認(rèn)識到滴定過程中的“突變”是客觀存在的；2.通過曲線觀察，發(fā)現(xiàn)滴定終點與計量點并不完全一致，但是引起的實驗誤差并不大，可以保證酸堿中和滴定分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性；

3.通過對比實驗和觀察曲線，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)、弱電解質(zhì)在滴定時間、起始點、突躍范圍、滴定終點的pH、指示劑的選擇等的不同，進(jìn)一步體會弱電解質(zhì)的電離平衡和鹽類水解的原理。

片斷三：傳感技術(shù)探究鹽酸滴定碳酸鈉溶液滴定曲線

師：1.選擇哪種試劑來測定未知碳酸鈉溶液的濃度？

2.預(yù)測利用傳感技術(shù)繪制的曲線可能有什么不同？

小組討論、發(fā)言：用鹽酸滴定碳酸鈉溶液測定濃度，曲線的突躍有可能有兩個：

小組實驗：按照圖1所示組裝實驗裝置，上面的注射滴管中加入0.1000mol/L鹽酸，燒杯里加入0.1000mol/L碳酸鈉溶液進(jìn)行實驗。

師：各小組找到滴定突躍范圍并解釋。

小組總結(jié)：

1.鹽酸滴定碳酸鈉先反應(yīng)生成碳酸氫鈉，所以滴定終點pH約為8。

2.繼續(xù)滴定到終點為氯化鈉，但是由于產(chǎn)生的二氧化碳溶解在溶液中至飽和，使終點pH為酸性。

3.兩次突變所用鹽酸體積大約為1∶1。

師：那么我們選擇什么樣的酸堿指示劑呢？

小組討論：

反饋1：第一計量點：Na2CO3+HCl=NaHCO3，此時由于碳酸氫鈉水解呈現(xiàn)堿性，因此應(yīng)該用酚酞作為指示劑。

反饋2：第二計量點：Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O，此時由于二氧化碳的飽和溶液呈現(xiàn)酸性，應(yīng)該用甲基橙作為指示劑。

反饋3：從圖中曲線觀察到第二突躍范圍比較明顯，最好用甲基橙作為指示劑至反應(yīng)結(jié)束。

【反思】1.認(rèn)識酸堿滴定分析法的實用性和科學(xué)性；2.通過觀察曲線，理解鹽酸滴定碳酸鈉溶液中反應(yīng)分步進(jìn)行的特點；3.繼續(xù)發(fā)揮小組合作的精神，挖掘曲線中的信息點。

四、運用數(shù)字傳感技術(shù)的體會

利用數(shù)字傳感技術(shù)檢測酸堿中和滴定過程中pH的變化，不僅可以減小指示劑種類和濃度產(chǎn)生的誤差，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)的處理直接轉(zhuǎn)化為曲線，定性和定量同時進(jìn)行，使實驗顯得更簡單和準(zhǔn)確，能夠讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識到突躍范圍的真實客觀性；還可以讓學(xué)生觀察到在滴定過程中溶液pH的變化規(guī)律，從量的角度認(rèn)識化學(xué)變化的本質(zhì)，對酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)有更加直觀深刻的認(rèn)識。當(dāng)然從所有繪制的曲線中也可以看出曲線并不都是平滑的，其原因可能是實驗滴定過程中，溶液攪拌充分需要一定的時間，或者滴速不均勻，而pH傳感器又比較敏感等。這些誤差反而更能夠激發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考和探究，適時地提醒學(xué)生化學(xué)實驗從定性到定量，是對化學(xué)實驗變化規(guī)律和反應(yīng)本質(zhì)的探究，促進(jìn)學(xué)生的思維躍遷。新穎的角度和精確的實驗也使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣進(jìn)一步提升，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

（責(zé)任編輯 羅 艷）