酸堿中和滴定的數(shù)字化設(shè)計(jì)

（湖南：湖南第一師范學(xué)院物理與化學(xué)學(xué)院 湖南銳異智能科技有限公司）

〔摘" "要〕" 用數(shù)字技術(shù)推動(dòng)教育發(fā)展，通過(guò)教育培養(yǎng)數(shù)字人才，已成為全球趨勢(shì)。傳統(tǒng)的酸堿中和滴定存在數(shù)據(jù)采集不便、判斷主觀性強(qiáng)、誤差大等問(wèn)題，限制了實(shí)驗(yàn)效果的提升。為此，本文通過(guò)引入蠕動(dòng)泵、MCU中控板、pH計(jì)、顯示屏和磁力攪拌器等數(shù)字化自動(dòng)設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)的酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了全面的數(shù)字化改造。旨在實(shí)現(xiàn)教學(xué)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣和好奇心，大大提高小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和準(zhǔn)確性，使學(xué)生更好地理解化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程和宏觀表現(xiàn)之間的關(guān)系。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；酸堿中和滴定；數(shù)字化設(shè)計(jì)；pH計(jì)

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " "〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）" 11" " 067-003

“不斷開(kāi)辟教育數(shù)字化新賽道”是教育部的工作部署，其要求堅(jiān)持應(yīng)用為王、走集成化道路，以智能化賦能教育治理，拓展國(guó)際化新空間，引領(lǐng)教育變革創(chuàng)新，并進(jìn)一步細(xì)化了教育數(shù)字化的實(shí)施路徑和具體措施。這些舉措，彰顯了國(guó)家對(duì)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的高度重視。

作為一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)在數(shù)字化領(lǐng)域中同樣擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?shù)字化技術(shù)可以為小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供全新的視角和工具，從而改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高教學(xué)效果，例如酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的操作要求非常高，操作過(guò)程中左右手、眼睛各司其職；在滴定接近終點(diǎn)時(shí)，如何控制好半滴、保持溶液顏色半分鐘不褪色，也有一定的難度；在最后繪制pH-V標(biāo)準(zhǔn)液曲線圖時(shí)，人工采集數(shù)據(jù)較少，pH值為主觀判斷，導(dǎo)致存在的誤差較大。因此，許多教學(xué)研究工作者已經(jīng)在思考將數(shù)字化引入酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中，從而解放雙手，實(shí)現(xiàn)酸堿滴定的自動(dòng)化，提高工作效率。例如王立超自制的數(shù)字化酸堿中和自動(dòng)滴定演示裝置，將傳感器、控制器等數(shù)字化設(shè)備引入傳統(tǒng)的酸堿中和滴定裝置中，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)終點(diǎn)的自動(dòng)判斷與啟停。該裝置很好地實(shí)現(xiàn)了酸堿滴定的數(shù)字化，但是在取用標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)仍然受到滴定管的限制。基于此，本文進(jìn)行了改進(jìn)，使用MCU中控板、蠕動(dòng)泵、pH計(jì)以及顯示屏分別實(shí)現(xiàn)設(shè)備、滴定、pH值的控制以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸出（如下圖）。

一、實(shí)驗(yàn)原理

（一）數(shù)字化設(shè)計(jì)所針對(duì)的原型實(shí)驗(yàn)的原理

酸堿滴定法是以質(zhì)子轉(zhuǎn)移的酸堿反應(yīng)為基礎(chǔ)進(jìn)行定量分析的一種方法，是基礎(chǔ)化學(xué)課程教學(xué)的重要組成部分。酸堿滴定過(guò)程中，隨著標(biāo)準(zhǔn)溶液的加入，待測(cè)液的pH值不斷變化。酸堿中和滴定是將已知物質(zhì)的量濃度的強(qiáng)酸或強(qiáng)堿，即標(biāo)準(zhǔn)溶液用來(lái)測(cè)量未知物質(zhì)的量濃度的堿或酸（待測(cè)溶液或未知溶液）的方法。其實(shí)質(zhì)是以酸堿中和反應(yīng)為基礎(chǔ)：H++OH-=H2O。

H+和OH-的物質(zhì)的量之比為1：1，在滴定達(dá)到終點(diǎn)（即酸堿恰好反應(yīng)完全）時(shí)，有n（H+）=n（OH-），對(duì)于一元酸和一元堿反應(yīng)則有：n（酸）=n（堿）。因此，滴定未知酸的公式為：

c酸×V酸=c堿"×"V堿

則有：c酸=[c堿V堿V酸]

所以，已知標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的濃度和待測(cè)鹽酸溶液的體積，在滴定過(guò)程中只要知道了中和VHCl需要消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積，即可知道在終點(diǎn)pH=7時(shí)的NaOH溶液的體積。

酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容：通過(guò)滴定前和滴定后的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的讀數(shù)差確定VNaOH，滴定3次，取平均值，求出cHCl；測(cè)滴定過(guò)程中消耗的NaOH溶液的體積與錐形瓶中待測(cè)液pH的變化關(guān)系，做出相應(yīng)的曲線圖。

（二）數(shù)字化設(shè)計(jì)內(nèi)容的科學(xué)原理

MCU的控制（用來(lái)控制設(shè)備）。系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備部件的控制和數(shù)據(jù)采集均由MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用立創(chuàng)EDA工具進(jìn)行電路板的繪制及模擬仿真，最終搭建起整個(gè)硬件控制平臺(tái)，包括MCU、通信芯片、繼電器及pH信號(hào)轉(zhuǎn)換板等。程序采用基于C語(yǔ)言的51模式，在keil系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。完成對(duì)蠕動(dòng)泵和磁力攪拌器的開(kāi)關(guān)控制以及pH信號(hào)的模擬量采集，MCU中控作為顯示屏的從機(jī)來(lái)使用，完成顯示屏的各項(xiàng)操作指令。

pH計(jì)的應(yīng)用。pH計(jì)是一種用于測(cè)量溶液酸堿性的儀器，它通過(guò)測(cè)量溶液中氫離子（H+）的濃度確定溶液的酸堿性。pH計(jì)的工作原理基于玻意耳定律和電化學(xué)原理。當(dāng)pH計(jì)浸入待測(cè)溶液中時(shí)，玻璃膜與溶液中的氫離子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差被傳遞到pH計(jì)的電路中，經(jīng)過(guò)放大和處理后，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的pH值。參比電極則提供一個(gè)穩(wěn)定的電位作為參考，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的酸堿中和滴定通過(guò)指示劑的顏色變化來(lái)判斷滴定終點(diǎn)，該法存在一定的系統(tǒng)誤差，而數(shù)字化酸堿中和滴定則通過(guò)pH傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析來(lái)確定滴定終點(diǎn)。

數(shù)字量的檢測(cè)、記錄及分析（顯示屏的功能）。顯示屏作為本項(xiàng)目的核心中樞，通過(guò)向單片機(jī)下達(dá)指令來(lái)控制蠕動(dòng)泵和磁力攪拌器，獲取并記錄溶液實(shí)時(shí)的pH值。當(dāng)溶液的pH值達(dá)到預(yù)設(shè)的等當(dāng)點(diǎn)范圍時(shí)，顯示屏?xí)詣?dòng)記錄此時(shí)的滴定體積，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件繪制出滴定曲線。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)材料及儀器

蠕動(dòng)泵、MCU中控板、開(kāi)關(guān)電源（12V/5"V）、開(kāi)關(guān)電源（3V）、磁力攪拌器、工業(yè)pH/ORP測(cè)試儀、顯示屏（X5系列TJC1060X5A1_011R-Y）。

（二）數(shù)字化酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)裝置的使用

數(shù)字化酸堿中和滴定是在傳統(tǒng)酸堿中和滴定的基礎(chǔ)上，通過(guò)編寫(xiě)MCU中控板代碼和顯示屏代碼并將其分別燒錄、導(dǎo)入至MCU中控板和SD卡中，控制標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的滴加速率；再由pH計(jì)反饋滴定過(guò)程中待測(cè)溶液的pH值，從而測(cè)定滴定值pH=7時(shí)消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積，包括代碼編寫(xiě)及程序?qū)搿⑷芤旱呐渲?、pH計(jì)校正、裝置的連接以及實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程等5個(gè)環(huán)節(jié)。本文主要對(duì)滴定裝置的連接以及酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

滴定裝置：確定好磁力攪拌器的位置后，將放有磁子的燒杯置于磁力攪拌器上；然后用鐵架臺(tái)上的兩個(gè)兩爪夾分別夾住pH計(jì)電極和蠕動(dòng)泵，控制好電極的高度，使得電極的玻璃球剛好浸沒(méi)在待測(cè)液中且不影響磁子的轉(zhuǎn)動(dòng)；最后將接有導(dǎo)管的蠕動(dòng)泵調(diào)整至合適的高度，導(dǎo)管的一端浸入盛有標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的燒杯中，另一端固定在盛待測(cè)鹽酸溶液的燒杯內(nèi)壁上，讓標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液按照一定的速率滴加，本次實(shí)驗(yàn)的滴加速率為2.4mL·min-1。

數(shù)字化酸堿滴定：電子元器件和滴定裝置搭建好后，用移液管取40.00mL待測(cè)鹽酸溶液（約0.5"mol·L-1），將已編輯好的顯示屏代碼導(dǎo)入SD卡中，通過(guò)SD卡將程序下載在顯示屏中并通電。點(diǎn)擊顯示屏界面左上角的“刷新”，將界面初始化。然后點(diǎn)擊“管路排氣”，界面顯示“管路排氣中”，蠕動(dòng)泵開(kāi)始工作，即開(kāi)始排氣，排除蠕動(dòng)泵導(dǎo)管內(nèi)的空氣。待管道中空氣排盡，再點(diǎn)擊“管路排氣”，系統(tǒng)停止管路排氣。點(diǎn)擊右下角的“開(kāi)始滴加”，顯示“滴定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中”，蠕動(dòng)泵和磁力攪拌器開(kāi)始工作，顯示以消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積V/mL為橫坐標(biāo)，滴加過(guò)程中燒杯內(nèi)溶液的pH值為縱坐標(biāo)的曲線圖。待pH值約為12時(shí)，再次點(diǎn)擊“開(kāi)始滴加”，界面顯示“滴定實(shí)驗(yàn)停止”，即滴定結(jié)束，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：重復(fù)上述數(shù)字化酸堿滴定3次，導(dǎo)出csv格式數(shù)據(jù)，用Origin軟件以消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積V/mL為橫坐標(biāo)，滴加過(guò)程中燒杯內(nèi)溶液的pH值為縱坐標(biāo)作曲線圖。由圖可知，3次滴定的曲線圖基本重合，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性很高；每次滴定過(guò)程中，可以采集大量的數(shù)據(jù)，精確地控制標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的量，而pH計(jì)則可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量溶液的pH值。這樣，我們就可以在滴定過(guò)程中連續(xù)地記錄pH值的變化，而無(wú)須頻繁地停止滴定并手動(dòng)測(cè)量。

根據(jù)酸堿中和滴定原理，強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸，H+"+OH-=H2O，當(dāng)達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，溶液的pH=7，因此，在采集的數(shù)據(jù)中，取最接近pH=7時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積。3次滴定中，在pH=7時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積分別為：40.20，40.68和40.10mL。將該數(shù)據(jù)和cNaOH=0.4935mol?L-1、VHCl=40.00mL代入公式：cHCl=[cNaOHVNaOHVHCl]可得3次滴定的鹽酸溶液濃度的平均值為：cHCl=0.4975mol?L-1。

三、結(jié)語(yǔ)

上述改進(jìn)后的數(shù)字化酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中存在的終點(diǎn)判斷的主觀性、數(shù)據(jù)采集的煩瑣性、數(shù)據(jù)處理的不便性以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的抽象性等局限。通過(guò)pH傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溶液pH值的變化來(lái)判斷滴定終點(diǎn)，提升了終點(diǎn)判斷的精確性；MCU中控板、蠕動(dòng)泵、磁力攪拌器和pH傳感器等數(shù)字化設(shè)備的協(xié)同作用使數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，大大減輕了實(shí)驗(yàn)者的操作負(fù)擔(dān)，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和準(zhǔn)確性；通過(guò)曲線圖的形式生動(dòng)地展示了溶液pH值的詳細(xì)變化過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有直觀性，不僅有助于學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望；通過(guò)自動(dòng)化的操作和精確的數(shù)據(jù)處理，有效減小了實(shí)驗(yàn)誤差，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的精神。

綜上所述，數(shù)字化酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限性方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。它不僅能夠提高實(shí)驗(yàn)的精確性和效率，還能夠豐富教學(xué)手段和形式，促進(jìn)教育教學(xué)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

【本文系2021年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與制作（二）課程的線上線下混合式教學(xué)研究與實(shí)踐”的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：HNJG-2021-1108】

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