數(shù)字化傳感技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的考查

陳紅英

(山東省鄒城市實(shí)驗(yàn)中學(xué))

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生的變化比較復(fù)雜,為精確研究化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生的變化,人們把傳感技術(shù)應(yīng)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中.因此,對(duì)傳感器記錄的結(jié)果或傳感圖像的分析等成為新的考點(diǎn).

1 利用傳感器記錄的結(jié)果考查化學(xué)反應(yīng)原理

有些試題直接敘述了傳感器記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,讓考生分析實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.

例1圖1為某種氧電化學(xué)傳感器的原理示意圖.已知在測(cè)定O2含量的過程中,電解質(zhì)溶液的質(zhì)量保持不變.一定時(shí)間內(nèi),若通過傳感器的待測(cè)氣體為aL(標(biāo)準(zhǔn)狀況),某電極質(zhì)量增加了bg.下列說法正確的是( ).

圖1

A.氧電化學(xué)傳感器工作時(shí),電流由Pb電極通過外電路流向Pt電極

B.Pb上發(fā)生的電極反應(yīng)式為

C.反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.25bmol

分析根據(jù)電池圖像可知,通入氧氣的Pt電極為正極,得到電子發(fā)生還原反應(yīng),電極方程式為O2＋2 H2O＋4e－＝4 OH－,Pb電極為負(fù)極,失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),由于電解質(zhì)溶液的質(zhì)量保持不變,說明Pt電極消耗的氧氣與Pb電極上得到的O 原子質(zhì)量相等,電極方程式 為2Pb＋4 OH－－4e－＝2Pb O ＋2 H2O.由以上分析可知,Pt電極為正極,Pb電極為負(fù)極,電流由Pt電極通過外電路流向Pb電極,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤.反應(yīng)過程中Pb電極質(zhì)量增加,增加的為O 元素的質(zhì)量,當(dāng)增加的質(zhì)量為bg時(shí),n(O)＝,故n(Pb O)＝n(O)＝,根據(jù)

可知n(e－)＝2n(Pb O)＝＝0.125bmol,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.由電子守恒得,n(O2)＝標(biāo)準(zhǔn)狀況下O2的體積為×22.4 L?mol－1＝0.7bL,待測(cè)氣體中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為,選項(xiàng)D正確.答案為D.

2 利用傳感圖像考查化學(xué)反應(yīng)過程的變化

利用傳感技術(shù)可以對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)從不同的角度進(jìn)行有關(guān)量的測(cè)定,從而得出化學(xué)變化中的復(fù)雜性.

例2數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將傳感器數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)相連,利用信息技術(shù)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析.某學(xué)習(xí)小組利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)光照過程中新制飽和氯水的變化進(jìn)行檢測(cè),下列圖像錯(cuò)誤的是( ).

分析Cl2與水發(fā)生反應(yīng):Cl2＋H2O?HCl＋HCl O.HCl O 不穩(wěn)定,光照發(fā)生反應(yīng):2 HCl O2 HCl＋O2↑.可逆反應(yīng)的化學(xué)平衡正向移動(dòng),導(dǎo)致溶液中c(H＋)增大,因此溶液的p H 逐漸變小,同時(shí)c(Cl－)不斷增大,選項(xiàng)A、B 正確.溶液的電導(dǎo)率隨溶液中自由移動(dòng)離子濃度的增大而增大.氯水久置,使溶液中自由移動(dòng)的離子濃度增大,經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間,溶液中離子濃度達(dá)到最大值,電導(dǎo)率最大,后不再發(fā)生變化,圖示與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符,選項(xiàng)C 錯(cuò)誤.氯水久置,次氯酸分解生成氯化氫和氧氣,氯化氫溶于水得到鹽酸,所以液面上方氧氣體積分?jǐn)?shù)增加,選項(xiàng)D 正確.答案為C.

3 利用離子濃度傳感器研究滴定過程中物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng)

利用離子濃度傳感器記錄滴定過程中各離子濃度的變化,進(jìn)而可以根據(jù)離子濃度的變化判斷滴定過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),進(jìn)行有關(guān)量的計(jì)算.

例3某實(shí)驗(yàn)小組利用數(shù)字化手持技術(shù)探究Na2CO3溶液(1.0 mol?L－1)滴定鹽酸(10.00 mL、1.0 mol?L－1)的過程中離子濃度的變化,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示(夾持裝置略).

圖2

已知:常溫下,Ka1(H2CO3)＝1.0×10－6.4mol?L－1,Ka2(H2CO3)＝1.0×10－10.3mol?L－1.

滴定完成后,Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液過量,數(shù)據(jù)采集器得到 的、c(H2CO3)隨 加 入Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積的變化曲線如圖3所示(假設(shè)水溶液中CO2以H2CO3形式存在,忽略滴定過程中CO2的逸出).

圖3

回答下列問題:

(2)寫出BC段的離子方程式:_______.

(3)E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的V2＝________.

(4)滴加的Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V3時(shí),混合液中含碳元素的主要微粒為________.

(5)D點(diǎn)對(duì)應(yīng)溶液的p H＝________.

分析Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定鹽酸分為3個(gè)階段.第一個(gè)階段(0～V1mL):Na2CO3＋2 HCl＝2 Na Cl＋H2CO3,c(H2CO3)逐漸增大.第二個(gè)階段(V1～V2mL):Na2CO3＋H2CO3＝2Na HCO3,c(H2CO3)逐漸減小,c()逐漸增大.第三個(gè)階段(V2～V3mL):Na2CO3過量,c()逐漸增大,由于溶液體積增大,c()逐漸減小.(1)由分析知,曲線甲、乙、丙分別表示c(H2CO3)、c()和c().(2)BC段離子反應(yīng)方程式為＋H2CO3＝.(3)E點(diǎn)為碳酸鈉和碳酸恰好完全反應(yīng)生成碳酸氫鈉,第一個(gè)階段發(fā)生反應(yīng)Na2CO3＋2 HCl＝2 Na Cl＋H2CO3,滴定10.00 mL、1.0 mol?L－1鹽酸消耗1.0 mol?L－1Na2CO3溶液5.00 mL,生成5 mmol H2CO3,第二個(gè)階段發(fā)生反應(yīng)Na2CO3＋H2CO3＝2 Na HCO3,生成5 mmol H2CO3,消耗Na2CO3溶液5.00 mL,則V2＝5.00 mL＋5.00 mL＝10.00 mL.(4)滴加的Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V3時(shí),Na2CO3溶液過量,溶液中的溶質(zhì)為NaCl、Na HCO3、Na2CO3,則混合液中碳元素主要以形式存在.(5)D點(diǎn)時(shí),c()＝c(H2CO3),則Ka1(H2CO3)＝＝c(H＋)＝1.0×10－6.4mol?L－1,對(duì)應(yīng)溶液的p H＝6.4.

總之,科學(xué)技術(shù)越來越多地應(yīng)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中,成為研究化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要工具,讓我們深刻理解化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì).當(dāng)然在分析這些變化或圖像時(shí),要根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理分析,不能偏離基本的化學(xué)反應(yīng).

(完)