賀陽(yáng)
一、 問(wèn)題的提出
傳統(tǒng)教學(xué)通過(guò)計(jì)算法繪制pH-V曲線,對(duì)誤差進(jìn)行分析,用指示劑指示滴定終點(diǎn),雖然思路清晰,但學(xué)生對(duì)pH突躍沒(méi)有形象直觀的認(rèn)識(shí)。
通過(guò)手持技術(shù)(數(shù)字化信息系統(tǒng))繪制pH曲線,形象直觀、方便快捷、準(zhǔn)確率高,更具說(shuō)服力,有利于學(xué)生對(duì)pH突躍、突躍范圍、化學(xué)計(jì)量點(diǎn)、滴定終點(diǎn)、指示劑選擇等概念的理解。
二、手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)定性概念方面的突破
1. 滴定曲線的繪制
將滴定管、中和滴定實(shí)驗(yàn)器、光電門(mén)、pH傳感器的相對(duì)位置固定后,用0.1000mol/L的HCl溶液滴定30mL未知濃度的NaOH溶液,利用軟件完成實(shí)驗(yàn)操作,得到滴定曲線圖。
圖1:酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)裝置
圖2:0.1000mol/L
鹽酸滴定未知濃度氫氧化鈉溶液pH曲線(點(diǎn))
pH曲線變化規(guī)律:隨著鹽酸的滴加,剛開(kāi)始時(shí)pH值降低的較慢,當(dāng)溶液接近中性時(shí),一滴(0.04mL-0.05mL)鹽酸溶液便引起pH值的突然變化,從堿性突然變成酸性,繼續(xù)滴加鹽酸,pH值變化又趨于平緩。
計(jì)算法繪制pH曲線費(fèi)時(shí)費(fèi)力;計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)繪制曲線,形象直觀,準(zhǔn)確率高。不僅給學(xué)生以視覺(jué)沖擊,更能形象直觀地顯示出1滴溶液引起的pH突躍,同時(shí)有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。
2. pH突躍及突躍范圍
pH突躍:當(dāng)接近滴定終點(diǎn)時(shí)(pH=7)時(shí),很少的溶液(0.04mL,約1滴)引起pH值的突然變化。
突躍范圍:化學(xué)計(jì)量點(diǎn)前后相對(duì)誤差-0.1%-+0.1%范圍內(nèi),1滴酸(約0.04-0.05mL)引起pH值的變化范圍。用0.1000mol/L的鹽酸滴定0.1000mol/L氫氧化鈉,突躍范圍是9.7-4.3,濃度不同、強(qiáng)弱不同的酸堿中和滴定,突躍范圍不同。
從圖像上可以直接讀出pH突躍時(shí)的變化范圍,省去了計(jì)算的麻煩。
3. 滴定終點(diǎn)和化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的關(guān)系
化學(xué)計(jì)量點(diǎn):酸堿恰好完全中和時(shí),對(duì)于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿而言,即pH=7時(shí)的點(diǎn)。
滴定終點(diǎn):能夠引起pH突躍的點(diǎn),位于pH突躍范圍之內(nèi),與恰好中和點(diǎn)(化學(xué)計(jì)量點(diǎn))相差甚微,在誤差允許范圍內(nèi)。
仔細(xì)觀察滴定過(guò)程中圖像“點(diǎn)”的變化,pH的突躍說(shuō)明實(shí)際滴定過(guò)程很難恰好滴到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)(除非滴加半滴)。學(xué)生可清楚認(rèn)識(shí)到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)和滴定終點(diǎn)并非同一點(diǎn),能夠引起pH突躍的點(diǎn)便看作滴定終點(diǎn)。
4. 指示劑的選擇
觀察pH曲線,如果1滴酸溶液不僅能引起pH值的突變,還能引起某種指示劑顏色變化,則該指示劑就能以極小的誤差指示滴定終點(diǎn),前提是該指示劑變色范圍要全部或部分落在pH突躍范圍內(nèi)。
由于人類(lèi)視覺(jué)敏感程度不同,紅藍(lán)變化不明顯,所以石蕊不用做中和滴定指示劑。酚酞(8.2~10.0)、甲基橙(3.1~4.4)變色范圍部分落在突躍范圍內(nèi),故可做中和滴定的指示劑。雖然指示劑指示的終點(diǎn)并非化學(xué)計(jì)量點(diǎn),但可以保證由此引起的誤差不超過(guò)±0.1%。
滴定實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)pH值突躍時(shí),甲基橙恰好從黃變橙。理論與實(shí)際相符,這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)不到的效果,有助于加深學(xué)生對(duì)指示劑選擇的理解。
5. 不同類(lèi)型滴定曲線的對(duì)比
對(duì)比圖3和圖4,強(qiáng)酸強(qiáng)堿之間互滴,pH突躍范圍一致。
對(duì)比圖4和圖5,由于等濃度的弱酸比強(qiáng)酸pH值大,故起點(diǎn)高;由于恰好中和時(shí)產(chǎn)物為強(qiáng)堿弱酸鹽,故化學(xué)計(jì)量點(diǎn)pH>7 ;強(qiáng)堿滴定弱酸突躍范圍比強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸窄,而指示劑變色范圍要落在突躍范圍內(nèi),故選擇酚酞。反之,若強(qiáng)酸滴定弱堿,可選擇甲基橙為指示劑。
通過(guò)計(jì)算法繪制pH曲線步驟煩瑣,計(jì)算量大,尤其是含弱酸弱堿的滴定,很難計(jì)算出具體pH值。但手持技術(shù)的pH傳感器可以快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定pH值,并繪制相應(yīng)的滴定曲線。
三、手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算方面的突破
例:未知濃度NaOH溶液濃度的測(cè)定。
通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器完成滴定操作,第7步“顯示連線”后,點(diǎn)擊右鍵“顯示坐標(biāo)”,即可讀出pH=7時(shí)對(duì)應(yīng)的體積,根據(jù)公式c(待)=,求出待測(cè)液濃度,反復(fù)實(shí)驗(yàn)2-3次,取平均值。
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)指示劑變色判定滴定終點(diǎn)。由于讀數(shù)和指示劑顏色變化都存在誤差,故結(jié)果誤差大。用手持技術(shù)繪制pH-V曲線,光電門(mén)可準(zhǔn)確記錄所滴加液體的體積,可直接在圖像上讀出pH=7對(duì)應(yīng)的V值,準(zhǔn)確率高,誤差小。
四、 對(duì)手持技術(shù)在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的思考
用 pH傳感器判斷滴定終點(diǎn)時(shí),接近滴定終點(diǎn)時(shí)要減緩液體滴速,并充分?jǐn)嚢瑁谑覝叵虏僮?,以減少實(shí)驗(yàn)誤差。除此之外,還可用溫度傳感器得出溫度曲線,再對(duì)滴定曲線進(jìn)行求導(dǎo),得出導(dǎo)數(shù)曲線,從導(dǎo)數(shù)曲線中可以確定嚴(yán)格意義的滴定終點(diǎn);還可用電導(dǎo)率傳感器繪制電導(dǎo)率曲線,找到電導(dǎo)率最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積,從而確定滴定終點(diǎn)。這兩種方法不僅適用于強(qiáng)酸強(qiáng)堿,還適用于含弱酸弱堿的中和滴定。