計算機輔助配位滴定實驗教學(xué)的若干實例

占達東 柏文良 李攻科 甘峰

(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州510275)

計算機與化學(xué)

計算機輔助配位滴定實驗教學(xué)的若干實例

占達東 柏文良 李攻科 甘峰*

(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州510275)

介紹計算機輔助分析化學(xué)實驗教學(xué)在配位滴定教學(xué)中的幾個實例。結(jié)果表明，借助滴定軟件，學(xué)生能更為直觀地領(lǐng)會配位滴定的本質(zhì)，并可在實驗過程中取得較好的效果。

分析化學(xué)實驗教學(xué)［1-2］是大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和把所學(xué)理論知識運用于實際分析過程方面起重要的作用。同時，分析化學(xué)實驗也是讓學(xué)生真正領(lǐng)會分析化學(xué)關(guān)于量的概念的重要性的一個重要環(huán)節(jié)。分析化學(xué)實驗教學(xué)和分析化學(xué)理論教學(xué)［3］的完美結(jié)合，對學(xué)生掌握完整的分析化學(xué)知識體系起著至關(guān)重要的作用。

然而，隨著教學(xué)改革的逐步推進，分析化學(xué)實驗教學(xué)面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗。首先，分析化學(xué)理論教學(xué)課時數(shù)的壓縮使得理論課教學(xué)與實驗課教學(xué)幾乎同步進行。這就使得學(xué)生往往在還沒有學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識的時候，就被動地接受實驗課教學(xué)及相關(guān)的操作實驗;其次，有些分析化學(xué)實驗教學(xué)手段陳舊，難以形象直觀地展示定量分析過程的本質(zhì)，往往事倍功半;最后，學(xué)生在課外的預(yù)習(xí)過程中，缺乏相應(yīng)的輔助學(xué)習(xí)工具，使其難于把握實驗內(nèi)容和步驟而收效甚微。所以，根據(jù)新形勢改進分析化學(xué)實驗教學(xué)，是擺在教師面前的一個急需解決的問題。

我們認(rèn)為，在新形勢下，采用計算機輔助分析化學(xué)實驗教學(xué)是一個值得重視的課題。國內(nèi)外的許多高校在這個方面做了有益的探索，制作了許多分析化學(xué)實驗教學(xué)的課件。這些成果對于分析化學(xué)實驗教學(xué)起了一定的促進作用。

1 基礎(chǔ)實驗的教學(xué)實例

1.1 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定

EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定實驗是配位滴定的一個最基礎(chǔ)又最重要的實驗，對其掌握的好壞，直接關(guān)系到后續(xù)實驗的成敗。用于標(biāo)定EDTA的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有很多，實驗教學(xué)中通常介紹用鋅和碳酸鈣作基準(zhǔn)物質(zhì)的相關(guān)實驗內(nèi)容。當(dāng)采用碳酸鈣作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，反應(yīng)體系的pH控制在10.0左右，使用鉻黑T做指示劑。為了使終點顯色明銳，還需在緩沖溶液中先加入少量MgY2-。而當(dāng)采用鋅作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，反應(yīng)體系的pH要控制在5～6，使用二甲酚橙做指示劑。

在實驗教學(xué)中，教師通常是借助配位滴定條件式(lg(cK'(MY))≥6)，通過闡明K'(MY)隨pH改變來進行講解。然而，由于上式屬靜態(tài)陳述，無法很好地揭示配位滴定的動態(tài)過程，學(xué)生并不能很好地理解采用不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時的滴定特點。我們在教學(xué)過程中向?qū)W生展示了在采用不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及不同pH下的滴定曲線圖，通過對比，使學(xué)生較好地理解這部分內(nèi)容。圖1為以碳酸鈣作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時的滴定曲線;圖2為以鋅作標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時的滴定曲線。從圖1可以看到，在pH=5時，滴定曲線在化學(xué)計量點的位置上(ρ=1)沒有突躍，故不能在這種條件下用碳酸鈣標(biāo)定EDTA;而在pH=10.0時，滴定曲線上有明顯突躍，故此時可用碳酸鈣標(biāo)定EDTA。而采用鋅作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，化學(xué)計量點的位置雖然不變，但滴定曲線的突躍范圍卻不同，pH= 10.0時的突躍范圍要大于pH=5.0時的突躍范圍。所以，采用氧化鋅做標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，要根據(jù)不同的pH選用不同的指示劑。在pH=10.0時，可選用鉻黑T做指示劑;而在pH=5.0時，可選用二甲酚橙做指示劑。通過這種直觀的圖形演示，可使學(xué)生在理解選用不同的標(biāo)準(zhǔn)物對EDTA溶液進行標(biāo)定這個問題上有更為直觀的認(rèn)識，在實際的分析操作中減少盲目性。

圖1 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Ca2+溶液的滴定曲線

圖2 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Zn2+溶液的滴定曲線

1.2 水的總硬度測定

水的總硬度測定是合量滴定的一個典型例子。水的總硬度指水中的鈣鎂離子總量，由于鈣離子和鎂離子與EDTA的穩(wěn)定常數(shù)相差不大，故通常情況下只能滴定它們的總量。然而，這一點常引發(fā)學(xué)生的困惑。原因在于學(xué)生很難僅僅從穩(wěn)定常數(shù)的差異上想象出滴定過程中鈣、鎂離子濃度的變化，也很難對滴定的化學(xué)計量點有直觀的認(rèn)識。

圖3為EDTA滴定鈣、鎂混合離子的滴定曲線。從圖3可以看到，鈣、鎂離子濃度在ρ=2時發(fā)生突躍。這一結(jié)果表明，EDTA確實可以滴定鈣、鎂離子的總量。從圖3還可以看到，在滴定開始時，首先是鈣離子與EDTA反應(yīng)為主，而在接近化學(xué)計量點時，鎂離子被快速消耗掉，緊接著鈣離子也被快速消耗掉。這一有趣的次序提示我們:在采用EDTA測定水的總硬度時，EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定宜采用碳酸鈣作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。在混合離子合量滴定過程中，不同離子在化學(xué)計量點附近的演進特征，是傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式所難于揭示的。

圖3 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Ca2+和0.01mol·L－1M g2+混合溶液的滴定曲線pH=10.0

2 提高階段的教學(xué)實例

2.1 鉛鉍混合溶液的連續(xù)滴定

鉛鉍混合溶液的連續(xù)滴定實驗是一個比較典型的分步滴定的例子。這個實驗的目的是向?qū)W生揭示通過調(diào)節(jié)溶液的pH實現(xiàn)多個組分的依次滴定。盡管控制酸度的滴定在理論教學(xué)中已經(jīng)被充分地強調(diào)過，但并不直觀。這個實驗分兩步進行:(1)先調(diào)節(jié)溶液的pH≈1，以二甲酚橙為指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定其中的鉍離子;(2)在滴定完鉍離子后，用六亞甲基四胺溶液調(diào)節(jié)溶液pH為5～6，再用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定其中的鉛離子。

圖4 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Bi3+和0.01mol·L－1Pb2+混合溶液的滴定曲線pH=1.0

圖4為pH≈1時的滴定曲線。從圖4可以看到，在整個滴定過程中及在鉍的化學(xué)計量點前后，鉛離子的濃度基本不變，這就直觀地顯示出在此酸度條件下，鉛離子的存在對于鉍離子的滴定沒有影響。圖5為在鉍離子滴定完全之后，將溶液的pH調(diào)節(jié)為5～6時的滴定曲線。在前一步滴定中，化學(xué)計量點時鉍離子的游離濃度約為7.92×10-7mol/L;當(dāng)pH調(diào)節(jié)至5～6時，鉍離子濃度約為3.98×10-28mol/L。由于此時溶液中的鉍離子濃度非常低，不會對鉛離子的滴定產(chǎn)生影響。

圖5 當(dāng)圖4中鉍離子被滴定完全后用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Bi3+和0.01mol·L－1Pb2+混合溶液pH=5.0

2.2 測定鋅鋁混合溶液中的鋅離子濃度

測定鋅鋁混合溶液中的鋅離子濃度這個實驗是作為設(shè)計性實驗開設(shè)的。該實驗要求學(xué)生對給定的實驗項目進行設(shè)計，寫出自己的設(shè)計方案。設(shè)計性實驗對提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力有很大的幫助，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一種有效方法，在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中已越來越受到重視。

然而，設(shè)計性實驗對于低年級本科生而言，還有一定的難度。例如，上述實驗的難點在于選擇合適的掩蔽劑，這需要對各種掩蔽劑的使用條件及掩蔽效果進行相應(yīng)的計算。如果使用手工計算，則計算量較大，且不直觀。

圖6(a)是用EDTA直接滴定鋅鋁混合溶液的滴定曲線。從圖6(a)可以看到，如果不采用某種方式消除鋁的影響，則只能實現(xiàn)合量滴定。圖6(b)為以氟化氨做掩蔽劑時的滴定曲線。從圖6(b)可以看到，在掩蔽劑作用下，溶液中的鋁離子濃度非常低，并且在整個滴定過程中其濃度基本不變，所以它對EDTA滴定鋅離子已經(jīng)沒有任何影響。

圖6 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Al3+和0.01mol·L－1Zn2+混合溶液的滴定曲線

如果學(xué)生能用計算機模擬出各種實驗條件下的實驗結(jié)果，通過比較分析，實驗的設(shè)計思路就清晰了，設(shè)計的實驗就容易獲得成功。相對于傳統(tǒng)的試探方法，采用計算機輔助設(shè)計實驗，可以減少化學(xué)試劑的使用量，有利于節(jié)約成本和保護環(huán)境。

3 結(jié)束語

用計算機輔助配位滴定實驗教學(xué)，給分析化學(xué)實驗教學(xué)提供了一種新方法。在教學(xué)過程中，教師可根據(jù)教學(xué)需要，將各種相關(guān)實驗條件輸入到滴定軟件中，由計算機模擬出滴定過程中各種金屬離子濃度的變化，并顯出相應(yīng)曲線圖，這樣就可以通過圖中的滴定曲線直觀形象地講述滴定的動態(tài)過程，避開理論講述和公式計算，避免重復(fù)講述理論課的內(nèi)容;學(xué)生也容易掌握實驗原理，有更多的時間動手操作。從實驗教學(xué)效果來看，那些在實驗課前借助滴定軟件進行了充分預(yù)習(xí)的學(xué)生，所用實驗時間會比其他學(xué)生少一小時左右，且實驗結(jié)果相對較好。

［1］ 蔡明招.分析化學(xué)實驗.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004

［2］ 華中師范大學(xué)，東北師范大學(xué)，陜西師范大學(xué)，等.分析化學(xué)實驗.第3版.北京:高等教育出版社，2007

［3］ 甘峰.分析化學(xué)基礎(chǔ)教程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007