關(guān)于pH值的教學(xué)思考*

雷　昭，葉明富，賈志剛，楊新安，伊廷鋒，萬梅秀

(1 安徽工業(yè)大學(xué), 安徽　馬鞍山　243002; 2 湖南人文科技學(xué)院，湖南　婁底　417000)

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關(guān)于pH值的教學(xué)思考*

雷昭1，葉明富1，賈志剛1，楊新安1，伊廷鋒1，萬梅秀2

(1 安徽工業(yè)大學(xué), 安徽馬鞍山243002; 2 湖南人文科技學(xué)院，湖南婁底417000)

在科學(xué)研究、生產(chǎn)、日常生活等各方面，測定和控制pH值有重要理論與實(shí)際意義。pH值是分析化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容。在教學(xué)過程中，我們結(jié)合史實(shí)與應(yīng)用，介紹了酸堿理論，為方便表示質(zhì)子濃度/活度引入pH值概念，以及用pH計(jì)準(zhǔn)確測量pH值，并由此展開總結(jié)思考。實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)這種教學(xué)方式印象深刻，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性，改善了教學(xué)效果，從而達(dá)到改善教學(xué)質(zhì)量目的。

酸堿理論；質(zhì)子濃度；pH值；質(zhì)子活度；pH計(jì)；教學(xué)思考

1　酸堿理論[1-2]

水是一種非常弱的電解質(zhì)，一個(gè)水分子可以從另一個(gè)水分子中奪取質(zhì)子而形成H3O+和OH-，即：

在水分子之間存在的質(zhì)子傳遞作用，稱為水的質(zhì)子自遞作用，其平衡常數(shù)稱為水的質(zhì)子自遞常數(shù)(也稱水的離子積)，用Kw表示(Kw=[H+][OH-])。1894年，德國的兩位化學(xué)家科爾勞施(Kohlrausch)和海德維勒(Heydweiller)精確測量了25 ℃時(shí)純水中氫離子濃度和氫氧根離子濃度的乘積(1.0×10-14)。

2　酸濃度的表示及測量——pH值及pH計(jì)[2-4]

H+和OH-共同存在與酸性、中性、堿性溶液中，它們的區(qū)別在于兩種離子的濃度不同。溶液的酸度和堿度可以用任何一種離子的濃度表示，化學(xué)家們采用了H+的濃度值。如果c(H+)=1×10-10(濃度單位)，在數(shù)學(xué)中，1×10-10=0.0000000001這些數(shù)值太小了，描述起來很不方便。

pH標(biāo)度是由丹麥生物化學(xué)家索倫森(S?rensen)在1909年發(fā)明的。索倫森當(dāng)時(shí)在一家啤酒廠工作，經(jīng)常要化驗(yàn)啤酒中所含氫離子濃度，每次化驗(yàn)結(jié)果都要記載許許多多個(gè)零，這使他感到很麻煩。經(jīng)過長期潛心研究，他發(fā)現(xiàn)用氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)來表示氫離子濃度非常方便，并把它叫做溶液的pH值。pH值就是氫離子濃度以10為底的負(fù)指數(shù)：

[H+]=10-pH

就這樣，他發(fā)明了直到今天還在廣泛應(yīng)用的pH標(biāo)度。1924年，基于化學(xué)熱力學(xué)的發(fā)展，索倫森再次提出以氫離子活度的pH值定義并使用至今。這樣，pH=7時(shí)為中性溶液，pH<7時(shí)為酸性溶液，pH>7時(shí)為堿性溶液?，F(xiàn)在在工廠的化驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)室里，經(jīng)常用pH指示劑來測定溶液的pH值，這種方法簡便經(jīng)濟(jì)，但容易受到干擾，準(zhǔn)確度較差，精細(xì)準(zhǔn)確的測量需要用pH計(jì)。

第一臺(tái)pH計(jì)是由美國的貝克曼(Beckman)在1934年設(shè)計(jì)制造的。他的一位同學(xué)約瑟夫(Joseph)在加利福利亞的一個(gè)水果培育站工作，經(jīng)常要測定用二氧化硫氣體處理過的檸檬汁的pH值。因?yàn)槭称返膒H值無法使用指示劑來測定，他只好求助貝克曼，幫他設(shè)計(jì)制造一臺(tái)能測定溶液pH值的儀器。貝克曼利用業(yè)余時(shí)間制作了一臺(tái)電子放大器，將其與玻璃電極/靈敏電流計(jì)組合成一臺(tái)pH計(jì)，效果很好，這就是世界上第一臺(tái)pH計(jì)。

利用pH計(jì)測定溶液的pH值的方法是一種電位測定法，它是將玻璃電極和甘汞電極插在被測溶液中，組成一個(gè)原電池，其電動(dòng)勢(shì)的大小和溶液的pH值有關(guān)。pH計(jì)的主體是一個(gè)精密電位計(jì)，用它測量原電池的電動(dòng)勢(shì)，并直接用pH刻度值表示出來，因而從pH計(jì)上可以直接讀出被測溶液的pH值。

第一臺(tái)pH計(jì)的成功研制使得貝克曼很受鼓舞，后來他辭去了加州理工學(xué)院的教學(xué)工作，專門開辦了一個(gè)pH計(jì)生產(chǎn)工廠，專心致志的從事pH計(jì)的設(shè)計(jì)和制造工作。他發(fā)明的pH計(jì)是最早的分析儀器之一，它為研究分析化學(xué)和生物化學(xué)創(chuàng)造了條件。

3　一些思考[5-7]

對(duì)于許多相當(dāng)大的數(shù)值或相當(dāng)小的數(shù)值(如pH、pM)，直接用冪次或乘方描述或書寫很不方便，為了方便描述它們，人為命名新的單位去表示，這些單位叫做輔助單位。輔助單位的符號(hào)，一般是在規(guī)定的單位的符號(hào)前，加一個(gè)表示倍數(shù)或分?jǐn)?shù)的詞冠組成，例如詞冠k表示103，n表示1×10-9。

又如聲強(qiáng)的單位是瓦/米2(W·m-2)，更簡單的說，聲強(qiáng)就是單位面積上輸運(yùn)的聲功率，一般可聞聲強(qiáng)范圍大約在1.0×10-12～1.0×10-2W之間，最大聲強(qiáng)與最小聲強(qiáng)之間的數(shù)量級(jí)相差懸殊，因此聲強(qiáng)的值使用起來極不方便。為方便起見，在聲學(xué)中比較聲波在媒質(zhì)各點(diǎn)的強(qiáng)弱時(shí)并不直接使用聲強(qiáng)，而是把最小聲強(qiáng)I0=1.0×10-12W·m-2作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，把某一聲波的聲強(qiáng)I與I0之比的對(duì)數(shù)聲音強(qiáng)弱的量度，即：

LI=lgI/I0

LI稱為聲強(qiáng)的聲強(qiáng)級(jí)，它的單位稱為貝爾(B)。實(shí)際上貝爾這一單位太大，通常采用貝爾的1/10為單位，稱為分貝(dB)。于是聲強(qiáng)級(jí)可表示為：

LI=10lgI/I0dB

可聞聲最輕聲的聲強(qiáng)為10-12W·m-2，其聲強(qiáng)級(jí)為0 dB；震耳欲聾的炮聲的聲強(qiáng)為1.0 W·m-2，其聲強(qiáng)級(jí)為120 dB，這是一般人耳所能忍受的最大聲強(qiáng)級(jí)。由于采用了聲強(qiáng)級(jí)，就把相差一百萬倍的可聞聲強(qiáng)范圍，簡化為0～120 dB的聲強(qiáng)級(jí)變化，給使用帶來了方便。

pH計(jì)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、生物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有很重要的應(yīng)用。如自來水工廠和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常用pH計(jì)測量水的pH值。生產(chǎn)乙酸、磷酸等化工廠，采用酸堿電位滴定法測定乙酸、磷酸的含量，也要用到pH計(jì)。溶液的pH值往往對(duì)化學(xué)反應(yīng)，特別是生物化學(xué)反應(yīng)影響巨大，因此及時(shí)準(zhǔn)確的測定這類溶液的pH值更具有十分重要的實(shí)際意義。例如細(xì)菌往往只能在很窄的pH值范圍內(nèi)生長，所以培養(yǎng)基的pH值必須進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，并且精心加以控制。再如生物催化劑——酶，只有在一定的pH值范圍內(nèi)才能起到明顯的作用，最適合于胃蛋白酶的pH范圍是1～4，最適合于胰蛋白酶的pH值范圍是8～9。

4　結(jié)　語

通過介紹酸堿理論，尤其是酸堿質(zhì)子理論，同學(xué)們明白了近代酸堿概念。為了方便快捷表示溶液中氫離子濃度，結(jié)合國際單位制，引入了pH值；用指示劑測量溶液pH值雖然方便卻失之準(zhǔn)確，從而推動(dòng)發(fā)明了pH計(jì)。教學(xué)時(shí)結(jié)合史實(shí)與實(shí)際應(yīng)用，顯著提高了廣大學(xué)子學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有效提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)是一項(xiàng)長期而有艱巨的事業(yè)，必須持之以恒。教學(xué)工作是一門科學(xué)也是一門藝術(shù)，教師只有通過長期不懈的鉆研，針對(duì)課程內(nèi)容特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能真正充分提高課堂教學(xué)的水平與質(zhì)量。

[1]李靜, 巢志聰, 蔡定建. 簡述酸堿理論及其應(yīng)用[J].山東化工,2015, 44(5):61-63.

[2]華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組, 四川大學(xué)工科化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基地. 分析化學(xué).6版[M]. 北京：高等教育出版社，2009: 46-63.

[3]周錦帆, 黃偉. pH測量原理及注意事項(xiàng)[J]. 檢驗(yàn)檢疫科學(xué), 2003, 13(1):50-53.

[4]賴心,豐達(dá)明. pH及其測量:從20世紀(jì)到21世紀(jì)[J].化學(xué)傳感器, 2000, 20(3):1-5.

[5]沈乃澂. 國際單位制的形成、建立和發(fā)展[J]. 物理, 1991, 20(2):183-188.

[6]李松巖. “級(jí)”及其單位“貝爾”和“奈培”介紹[J]. 中國計(jì)量, 2006, 12(2):42-44.

[7]浙江大學(xué)普通化學(xué)教研組. 普通化學(xué).6版[M]. 北京：高等教育出版社，2011: 90-98.

Teaching Considerations of the pH Value*

LEIZhao1,YEMing-fu1,JIAZhi-gang1,YANGXin-an1,YITing-feng1,WANMei-xiu2

(1 Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002;2 Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Hunan Loudi 417000, China)

In scientific research，production，life, and so on，determination and control of pH value has important theoretical and practical significance. The pH value is an important content in the analytical chemistry teaching. Combined with historical facts and application, acid-base theory was simply introduced. pH apparatus was mainly designed for the purpose of getting the concentration of proton concentration (the pH value) in various liquors to supply industrial processes with exact and reliable parameters. And the thinking was summarized. Practice results showed that the students impressed this way of teaching, mobilized the study enthusiasm, improved the teaching effect, so as to improve the teaching quality.

acid-base theory；proton concentration；pH value；proton activity；pH apparatus；teaching ponder

安徽省大規(guī)模在線開放課程(MOOC)示范項(xiàng)目(2015mooc033)；安徽省教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015jyxm114、2013zdjy076)；安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(201503)；安徽工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(2015jy24)。

葉明富(1982-)，男，博士，副教授，主要從事材料化學(xué)研究。

G642.0, G45

A

1001-9677(2016)010-0199-02