用數(shù)字傳感器測定混合堿中碳酸鈉的含量

陳大為

摘? 要 碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的測定有多種方法，其中滴定法的誤差較小。為了進一步縮小誤差，簡化滴定過程，提高滴定過程中的精確度，在實驗中引入數(shù)字傳感器，詳細(xì)介紹在實驗過程中使用傳感器的方法。最后分析此實驗引入傳感器的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞 化學(xué);滴定實驗;數(shù)字實驗系統(tǒng);pH傳感器;滴數(shù)傳感

器;數(shù)字采集器;碳酸鈉;碳酸氫鈉

中圖分類號：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）03-0124-03

1 實驗背景

碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的測定的相關(guān)內(nèi)容位于上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版的高三《化學(xué)拓展型課程（試用本）》“定量實驗”一節(jié)[1]。在書中介紹的課堂實驗是“測定含有少量氯化鈉的碳酸鈉的含量”，而學(xué)生實驗則是“測定含有氯化鈉雜質(zhì)的碳酸氫鈉的含量”。測定碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物含量的實驗雖然在教材中沒有直接體現(xiàn)，但是這個實驗可以作為上述二者實驗練習(xí)的一種延伸，幫助學(xué)生強化學(xué)習(xí)三種混合物的定量測定方法——滴定法、沉淀法和熱重法。其中滴定法操作簡單，耗時較短，且在相同條件下相比于其他方法，誤差較小。因此，選擇滴定法測定混合堿的含量最為合理。

然而傳統(tǒng)滴定法中也存在一些缺陷，如學(xué)生操作不熟練、不規(guī)范，對滴定管讀數(shù)、指示劑顏色判斷會有偏差，對滴定管液體“懸而不落”的現(xiàn)象不進行校正。這些偏常操作都會造成實驗結(jié)果不準(zhǔn)確。如何改進實驗，避免讀數(shù)帶來的誤差，是迫切需要解決的問題。本文介紹如何使用數(shù)字傳感器和數(shù)字采集器對滴定實驗進行優(yōu)化和改造。

2 實驗原理

數(shù)字實驗的基本組成部分? 在本實驗中將使用各類傳感器組成一套簡單的數(shù)字實驗系統(tǒng)，各種功能不同的數(shù)字傳感器會收集到實驗儀器中各項指標(biāo)的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中，采集器將收集、歸納數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為直觀圖像呈現(xiàn)在屏幕上。根據(jù)功能不同，傳感器有許多類型，如氧氣傳感器、電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器、滴數(shù)傳感器等，這些傳感器在測定實驗中產(chǎn)生的各個變量的變化時起到關(guān)鍵性作用。在本實驗中，運用到滴數(shù)傳感器和pH傳感器，數(shù)據(jù)采集器會采集實驗過程中二者收集到的數(shù)據(jù)，并繪制成一張曲線圖。

本實驗的反應(yīng)原理? 在碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液中滴加硫酸至反應(yīng)完全后，計算硫酸消耗的體積，通過一元二次方程組進行求解，即可得出碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的含量。在碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液中滴加稀硫酸，先發(fā)生的離子反應(yīng)是：

即第一階段，溶液的pH值會緩慢下降，至第一化學(xué)計量點pH=8.3，此時溶液中全部為碳酸氫鈉。繼續(xù)加入硫酸，發(fā)生的離子反應(yīng)為：

此時溶液的pH迅速下降，理論上在反應(yīng)結(jié)束時，溶液中只存在硫酸鈉，二氧化碳會逸出，溶液呈中性，pH=7為滴定終點。但實際上二氧化碳會溶解在溶液中，導(dǎo)致溶液提前呈酸性，若將此時定為滴定終點，可能有一部分碳酸氫鈉沒有反應(yīng)完，溶液中形成（NaHCO3—H2CO3）二元體系，使溶液可能呈中性。因此，此時需要繼續(xù)滴加稀硫酸。

隨著稀硫酸的不斷加入，溶液的pH先呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，在第二化學(xué)計量點pH=3.89時，再一次迅速下降，二氧化碳逸出。這是因為隨著溶液酸性的增強：

②式的平衡不斷逆向移動，使c（H2CO3）增大，導(dǎo)致①式也逆向移動，二氧化碳逸出，達(dá)到滴定的終點。在實際操作中，也觀察到溶液呈酸性時，產(chǎn)生氣泡的速率明顯加快。

綜上所述，在本實驗中借助pH傳感器和滴數(shù)傳感器，當(dāng)pH傳感器測定溶液的pH為3.89及以下時，停止滴定，讀取滴數(shù)傳感器測量得到的溶液體積，即可對混合物含量進行測定，計算方法如下。

設(shè)混合物中碳酸鈉為xmol，碳酸氫鈉為ymol。根據(jù)反應(yīng)方程式：

可列出一元二次方程組：

其中，m總為混合物的總質(zhì)量，n總為消耗稀硫酸的總體積。

n總=c（稀硫酸）×V（滴數(shù)傳感器讀取體積）×稀釋放大倍數(shù)

本實驗中配制了250 mL的混合堿溶液，取出10 mL，稀釋至100 mL進行滴定，因此放大倍數(shù)為25。進一步解得x，即可計算碳酸鈉的質(zhì)量，從而得出碳酸鈉在混合堿中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 實驗儀器和試劑

配制溶液階段需要的實驗儀器：250 mL容量瓶2個，燒杯2個，玻璃棒2根，膠頭滴管2個，10 mL量筒1個，電子天平，蒸餾水洗瓶。

滴定階段需要的實驗儀器：數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)傳感器、pH傳感器、500 mL燒杯（反應(yīng)容器）、250 mL燒杯（調(diào)試用）、洗瓶、磁力攪拌站、10.00 mL移液管（2支）、洗耳球。其中，數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)傳感器、pH傳感器、磁力攪拌站均為Vernier公司生產(chǎn)，數(shù)據(jù)采集器型號為LabQuest?2-LE，滴數(shù)傳感器型號為VDC-BTD，pH傳感器型號為FPH-BTA。

實驗試劑：碳酸鈉固體（AR）、碳酸氫鈉固體（AR）、濃硫酸、蒸餾水。

實驗裝置如圖1所示。

4 實驗步驟

實驗溶液的配制

1）0.5 mol/L稀硫酸的配制。量取6.7 mL濃硫酸注入水中，待冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)移至250 mL溶液瓶中;并洗滌燒杯和玻璃棒3～4次，將洗滌液也注入容量瓶中，定容至250 mL，搖勻，貼好標(biāo)簽備用。

2）稱取混合堿的總質(zhì)量，記錄m總。

3）混合堿溶于水中，不斷攪拌，至完全溶解后，轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中;并洗滌燒杯和玻璃棒3～4次，將洗滌液也注入容量瓶中，定容至250 mL，搖勻，貼好標(biāo)簽備用。

4）用配制好的稀硫酸對塑料滴定管（滴數(shù)傳感器附件）進行潤洗。用配制好的混合堿對移液管進行潤洗。

滴定過程

1）稀硫酸的標(biāo)定。取配制好的稀硫酸溶液10 mL，加入2～3滴甲基橙，用標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈉溶液進行標(biāo)定。

2）滴數(shù)傳感器的校正。根據(jù)數(shù)據(jù)采集器預(yù)設(shè)的操作步驟，校正滴數(shù)傳感器每滴滴出液體的體積，在本實驗中校正值為23.10滴/毫升。具體操作：用10.00 mL移液管向塑料滴定管中注入10.00 mL標(biāo)定好的硫酸溶液，打開數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)界面，逐滴放完10.00 mL溶液，采集器會自動記錄滴數(shù);輸入準(zhǔn)確的溶液體積值之后，采集器會自動計算每毫升溶液的滴數(shù)，即完成校準(zhǔn)過程。

3）pH傳感器的校正。用pH=4.00的緩沖溶液對pH傳感器進行校正，并使用蒸餾水對pH傳感器進行歸零;用濾紙擦干表面溶液后，放置待用。

4）滴定過程。用配制完成的混合堿溶液對移液管進行潤洗，然后用移液管吸取10.00 mL混合堿溶液，加水稀釋至100 mL左右。本實驗中加水稀釋量對實驗結(jié)果沒有影響，加水的量根據(jù)磁力攪拌子和pH傳感器的位置來定，以磁力攪拌子不會撞擊到pH傳感器且能形成小的渦流為宜。

用稀硫酸潤洗塑料滴定管并注入一定量的硫酸，由于滴數(shù)傳感器可以直接記錄消耗溶液的體積，因此無須記錄初讀數(shù)和末讀數(shù)。緩慢打開塑料滴定管的活塞，使硫酸逐滴滴下，檢查滴數(shù)傳感器是否正常工作。

將稀釋后的混合液放在磁力攪拌站上，打開調(diào)速器至7檔左右，然后按下數(shù)據(jù)采集器的“開始采集”按鈕;緩慢旋開塑料滴定管的活塞，目測使稀硫酸下落的速率基本為1滴/秒。觀察數(shù)據(jù)采集器采集的體積-pH變化圖。

待溶液pH下降至3.89及以下時，關(guān)閉活塞，按下“停止采集”按鈕。讀取數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)，選擇溶液pH接近3.89的體積值。在實際操作中，取數(shù)原則為向下取，即選擇pH值≤3.89時的體積數(shù)據(jù)，記錄在數(shù)據(jù)表中。

平行實驗三次，取平均值，進行計算。若某一次的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏常，則需要在數(shù)據(jù)采集器上按“放棄記錄”，以刪除偏常數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)記錄和處理

在本實驗中，數(shù)據(jù)記錄和圖像的生成都由數(shù)據(jù)采集器自動完成，表1為某一次實驗中記錄的數(shù)據(jù)表。

當(dāng)有液體經(jīng)過滴數(shù)傳感器的紅外感應(yīng)門后，傳感器就會記錄一次pH和體積的數(shù)據(jù)，并在圖像上繪制一個點。圖2是某次實驗結(jié)束后，所有數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖，其中縱坐標(biāo)為pH值，橫坐標(biāo)為體積。在選擇數(shù)據(jù)時，選擇（3.85，6.821）

的點，即pH=3.85，此時消耗硫酸6.821 mL，即V（滴數(shù)傳感器讀取體積）=6.821 mL。根據(jù)圖像的變化，證明本文中實驗原理的解釋是正確的。

6 注意事項

滴數(shù)傳感器使用注意事項? 使用滴數(shù)傳感器之前，一定要進行體積的校準(zhǔn)，否則會帶來較大的誤差。

稀硫酸的滴速一定要慢，保證滴數(shù)傳感器能逐滴感應(yīng)到每一滴液體的滴落，使溶液體積更準(zhǔn)確。由于本實驗不存在等待指示劑30 s不褪色的情況，因此，滴速慢可以保證反應(yīng)的充分進行，且更容易捕捉到滴定突躍時溶液pH值接近3.89的數(shù)據(jù)點;若滴落速度過快，則會導(dǎo)致滴定突躍時pH值劇烈變化，難以捕捉終點。觀察每一組之間消耗硫酸的體積，若體積讀數(shù)偏差太大，則舍棄數(shù)據(jù)。

pH傳感器使用注意事項? 若pH傳感器記錄的pH值發(fā)生波動，在圖像上呈現(xiàn)“鋸齒狀”時，暫停滴定，待pH值穩(wěn)定后滴定。

不可將pH傳感器做玻璃棒攪拌使用，pH傳感器每次轉(zhuǎn)移前都要用濾紙擦干表面的溶液，防止形成誤差。

實驗過程中的注意事項? 磁力攪拌的速度不可過大，否則會導(dǎo)致溶液飛濺，黏附在燒杯壁上。在滴定過程中也需要不斷用蒸餾水將燒杯壁上的液滴沖入溶液中。

一定要先按“開始采集”，再進行滴定，否則滴入的液滴不會被采集到，使得實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

7 本實驗的優(yōu)缺點與意義

本實驗的優(yōu)點

1）相比傳統(tǒng)滴定法，在滴定讀數(shù)和終點判斷上更精準(zhǔn)。傳統(tǒng)滴定法的精準(zhǔn)體現(xiàn)在兩處：第一處是在終點時對指示劑顏色進行判定;第二處是讀取滴定管的初讀數(shù)和末讀數(shù)。由于滴定時只使用了少量溶液，一旦出現(xiàn)誤差，呈現(xiàn)在結(jié)果中將被放大很多倍。減小誤差的方法是反復(fù)練習(xí)，熟悉操作，減少在操作和讀數(shù)上帶來的誤差。但是由于高二學(xué)生剛接觸滴定實驗，無法像化學(xué)教師一樣熟練進行，難免會出現(xiàn)滴定過量，指示劑顏色判斷不準(zhǔn)確的情況。因此，引入數(shù)字實驗的好處在于可以消除由學(xué)生操作不熟練帶來的誤差，實驗者可以直接通過傳感器傳輸?shù)讲杉鞯臄?shù)據(jù)進行摘錄和分析。因此，對傳感器的校正是非常重要的，只有傳感器校正后，才能減小誤差。

與此同時，滴數(shù)傳感器可以保留三位小數(shù)，讀數(shù)上比滴定管更加準(zhǔn)確。pH傳感器的讀數(shù)可以保留兩位小數(shù)，且有具體數(shù)值，相比酸堿指示劑沒有滯后性。

2）滴定過程更加輕松，實驗時間更短。傳統(tǒng)滴定法操作過程要求實驗者必須全神貫注，手眼聯(lián)動，眼睛注視錐形瓶顏色變化，手部轉(zhuǎn)動錐形瓶和控制滴定管的活塞。實驗者一旦分心，就會導(dǎo)致實驗出現(xiàn)誤差。運用數(shù)字化傳感器可以實現(xiàn)實驗過程的自動化，滴定和體積的讀取由滴數(shù)傳感器完成，全程數(shù)據(jù)記錄，即便滴定過量也無須重新實驗。因此，實驗者無須全程保持緊張，有助于降低實驗過程中出現(xiàn)誤操作的概率。

本實驗的缺點

1）降低了學(xué)生的操作體驗。正如上文所述，滴定過程由各式儀器自動化完成，降低了學(xué)生對滴定的操作體驗，不利于學(xué)生對滴定過程的理解。

2）弱化了學(xué)生的實驗觀察能力。由于滴定終點是依靠pH傳感器讀數(shù)來判斷的，因此不需要學(xué)生通過觀察指示劑的顏色變化來判斷終點。這樣一來，雖然操作變得簡單，但不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗觀察能力。

3）傳感器存在不穩(wěn)定性。傳感器在每次實驗前都需要進行調(diào)試，否則會導(dǎo)致每一組平行實驗的誤差很大，在無形中使實驗變得煩瑣。另外，傳感器可能在實驗過程中出現(xiàn)故障與問題，這是實驗者無法預(yù)估的。因此，若要使數(shù)字實驗變得更加成熟和穩(wěn)定，需要不斷對傳感器進行調(diào)試，同時要注意在平時對傳感器進行維護。

本實驗的意義? 化學(xué)實驗是化學(xué)學(xué)科的靈魂，對實驗不斷進行改進、優(yōu)化、簡化，是化學(xué)學(xué)習(xí)者和化學(xué)教學(xué)者不斷追求的目標(biāo)。讓經(jīng)典實驗煥發(fā)生機，需要結(jié)合時下的新科技和新技術(shù)來進行。本實驗就是利用時下熱門的傳感器技術(shù)對傳統(tǒng)的滴定實驗進行改進。本次改進遵循的一大原則就是“基于課本，高于課本”，即完全保留了滴定實驗的所有因素，對實驗的核心問題進行改進與優(yōu)化——提高滴定過程中讀數(shù)的準(zhǔn)確度。通過這次改進，也讓學(xué)生體會到定量實驗中“準(zhǔn)確”二字的重要性。如在若干次平行實驗中，雖然體積的讀數(shù)僅相差0.1 mL甚至0.05 mL，但是由于在最后的計算中需要放大25倍，因此出現(xiàn)“差之毫厘，謬以千里”的現(xiàn)象。

通過本次實驗的改進，希望有越來越多的學(xué)生和化學(xué)教師體會到數(shù)字傳感器的方便之處，也希望越來越多的人嘗試使用數(shù)字傳感器對化學(xué)實驗進行設(shè)計和改進，從而不斷提高教學(xué)質(zhì)量?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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