手持技術(shù)pH傳感器在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

賀陽(yáng)

一、 問(wèn)題的提出

傳統(tǒng)教學(xué)通過(guò)計(jì)算法繪制pH-V曲線，對(duì)誤差進(jìn)行分析，用指示劑指示滴定終點(diǎn)，雖然思路清晰，但學(xué)生對(duì)pH突躍沒(méi)有形象直觀的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)手持技術(shù)（數(shù)字化信息系統(tǒng)）繪制pH曲線，形象直觀、方便快捷、準(zhǔn)確率高，更具說(shuō)服力，有利于學(xué)生對(duì)pH突躍、突躍范圍、化學(xué)計(jì)量點(diǎn)、滴定終點(diǎn)、指示劑選擇等概念的理解。

二、手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)定性概念方面的突破

1. 滴定曲線的繪制

將滴定管、中和滴定實(shí)驗(yàn)器、光電門(mén)、pH傳感器的相對(duì)位置固定后，用0.1000mol/L的HCl溶液滴定30mL未知濃度的NaOH溶液，利用軟件完成實(shí)驗(yàn)操作，得到滴定曲線圖。

圖1：酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)裝置

圖2：0.1000mol/L

鹽酸滴定未知濃度氫氧化鈉溶液pH曲線（點(diǎn)）

pH曲線變化規(guī)律：隨著鹽酸的滴加，剛開(kāi)始時(shí)pH值降低的較慢，當(dāng)溶液接近中性時(shí)，一滴（0.04mL-0.05mL）鹽酸溶液便引起pH值的突然變化，從堿性突然變成酸性，繼續(xù)滴加鹽酸，pH值變化又趨于平緩。

計(jì)算法繪制pH曲線費(fèi)時(shí)費(fèi)力；計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)繪制曲線，形象直觀，準(zhǔn)確率高。不僅給學(xué)生以視覺(jué)沖擊，更能形象直觀地顯示出1滴溶液引起的pH突躍，同時(shí)有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2. pH突躍及突躍范圍

pH突躍：當(dāng)接近滴定終點(diǎn)時(shí)（pH=7）時(shí)，很少的溶液（0.04mL，約1滴）引起pH值的突然變化。

突躍范圍：化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后相對(duì)誤差-0.1%-+0.1%范圍內(nèi)，1滴酸（約0.04-0.05mL）引起pH值的變化范圍。用0.1000mol/L的鹽酸滴定0.1000mol/L氫氧化鈉，突躍范圍是9.7-4.3，濃度不同、強(qiáng)弱不同的酸堿中和滴定，突躍范圍不同。

從圖像上可以直接讀出pH突躍時(shí)的變化范圍，省去了計(jì)算的麻煩。

3. 滴定終點(diǎn)和化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的關(guān)系

化學(xué)計(jì)量點(diǎn)：酸堿恰好完全中和時(shí)，對(duì)于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿而言，即pH=7時(shí)的點(diǎn)。

滴定終點(diǎn)：能夠引起pH突躍的點(diǎn)，位于pH突躍范圍之內(nèi)，與恰好中和點(diǎn)（化學(xué)計(jì)量點(diǎn)）相差甚微，在誤差允許范圍內(nèi)。

仔細(xì)觀察滴定過(guò)程中圖像“點(diǎn)”的變化，pH的突躍說(shuō)明實(shí)際滴定過(guò)程很難恰好滴到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)（除非滴加半滴）。學(xué)生可清楚認(rèn)識(shí)到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)和滴定終點(diǎn)并非同一點(diǎn)，能夠引起pH突躍的點(diǎn)便看作滴定終點(diǎn)。

4. 指示劑的選擇

觀察pH曲線，如果1滴酸溶液不僅能引起pH值的突變，還能引起某種指示劑顏色變化，則該指示劑就能以極小的誤差指示滴定終點(diǎn)，前提是該指示劑變色范圍要全部或部分落在pH突躍范圍內(nèi)。

由于人類(lèi)視覺(jué)敏感程度不同，紅藍(lán)變化不明顯，所以石蕊不用做中和滴定指示劑。酚酞（8.2～10.0）、甲基橙（3.1～4.4）變色范圍部分落在突躍范圍內(nèi)，故可做中和滴定的指示劑。雖然指示劑指示的終點(diǎn)并非化學(xué)計(jì)量點(diǎn)，但可以保證由此引起的誤差不超過(guò)±0.1%。

滴定實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)pH值突躍時(shí)，甲基橙恰好從黃變橙。理論與實(shí)際相符，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)不到的效果，有助于加深學(xué)生對(duì)指示劑選擇的理解。

5. 不同類(lèi)型滴定曲線的對(duì)比

對(duì)比圖3和圖4，強(qiáng)酸強(qiáng)堿之間互滴，pH突躍范圍一致。

對(duì)比圖4和圖5，由于等濃度的弱酸比強(qiáng)酸pH值大，故起點(diǎn)高；由于恰好中和時(shí)產(chǎn)物為強(qiáng)堿弱酸鹽，故化學(xué)計(jì)量點(diǎn)pH>7 ；強(qiáng)堿滴定弱酸突躍范圍比強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸窄，而指示劑變色范圍要落在突躍范圍內(nèi)，故選擇酚酞。反之，若強(qiáng)酸滴定弱堿，可選擇甲基橙為指示劑。

通過(guò)計(jì)算法繪制pH曲線步驟煩瑣，計(jì)算量大，尤其是含弱酸弱堿的滴定，很難計(jì)算出具體pH值。但手持技術(shù)的pH傳感器可以快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定pH值，并繪制相應(yīng)的滴定曲線。

三、手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算方面的突破

例：未知濃度NaOH溶液濃度的測(cè)定。

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器完成滴定操作，第7步“顯示連線”后，點(diǎn)擊右鍵“顯示坐標(biāo)”，即可讀出pH=7時(shí)對(duì)應(yīng)的體積，根據(jù)公式c（待）=，求出待測(cè)液濃度，反復(fù)實(shí)驗(yàn)2-3次，取平均值。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)指示劑變色判定滴定終點(diǎn)。由于讀數(shù)和指示劑顏色變化都存在誤差，故結(jié)果誤差大。用手持技術(shù)繪制pH-V曲線，光電門(mén)可準(zhǔn)確記錄所滴加液體的體積，可直接在圖像上讀出pH=7對(duì)應(yīng)的V值，準(zhǔn)確率高，誤差小。

四、 對(duì)手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的思考

用 pH傳感器判斷滴定終點(diǎn)時(shí)，接近滴定終點(diǎn)時(shí)要減緩液體滴速，并充分?jǐn)嚢瑁谑覝叵虏僮?，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。除此之外，還可用溫度傳感器得出溫度曲線，再對(duì)滴定曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得出導(dǎo)數(shù)曲線，從導(dǎo)數(shù)曲線中可以確定嚴(yán)格意義的滴定終點(diǎn)；還可用電導(dǎo)率傳感器繪制電導(dǎo)率曲線，找到電導(dǎo)率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積，從而確定滴定終點(diǎn)。這兩種方法不僅適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿，還適用于含弱酸弱堿的中和滴定。