手持技術(shù)探究酚酞的配制

◆李雙 王敬文 霍愛(ài)新

1 問(wèn)題提出

目前，在初中、高中化學(xué)教學(xué)中使用的指示劑主要有酚酞、紫色石蕊和甲基橙。尤其是在酸堿滴定實(shí)驗(yàn)中，酚酞指示劑是最常用的。指示劑都有一定的變色范圍，高中化學(xué)教材中，酚酞指示劑的pH 變色范圍是8.2 ～10.0，但是教材中并沒(méi)有說(shuō)明酚酞指示劑的配制方法。查閱資料，發(fā)現(xiàn)酚酞指示劑的配制方法有多種。

第一種，國(guó)標(biāo)配制方法：稱取0.5g 酚酞，用95%乙醇溶解，并稀釋至100 mL，無(wú)須加水[1]。

第二種，采用60%的酒精水溶液作為溶劑，稱取0.1 g酚酞，溶于100 mL60%的酒精水溶液中。

第三種，稱取0.1 g 酚酞，加60 mL 95%的乙醇，然后用去離子水定容至100 mL[2]。

第四種，化學(xué)實(shí)驗(yàn)員速查手冊(cè)法：每升90%的乙醇中溶解1 g 酚酞[3]。

那么不同的酚酞配制方法，對(duì)滴定終點(diǎn)是否有影響呢？本實(shí)驗(yàn)借助手持技術(shù)對(duì)資料中四種不同濃度酚酞指示劑的變色終點(diǎn)的pH 進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，以探究較好的配制方法。

2 手持技術(shù)簡(jiǎn)介

手持技術(shù)是一種現(xiàn)代化、高科技的實(shí)驗(yàn)工具，又稱掌上實(shí)驗(yàn)，是一種常用的傳感器技術(shù)，是由數(shù)據(jù)采集器、（溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、CO2濃度等）傳感器和配套軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)（包括物理、化學(xué)和生物數(shù)據(jù)等）并能與計(jì)算機(jī)連接的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字實(shí)驗(yàn)解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中只能定性不能定量，定量卻無(wú)法體現(xiàn)過(guò)程的現(xiàn)狀；并實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究的多樣化，同時(shí)成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很好的補(bǔ)充，給學(xué)生科學(xué)運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)方法提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。手持技術(shù)最突出的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

1）攜帶便捷：數(shù)據(jù)采集器和傳感器都比較小，在掌上就能進(jìn)行操作，便于教師和學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，打破了空間的限制。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)變化過(guò)程是同步進(jìn)行的，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸，而且可以回放、保存。

3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確：可以計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以手動(dòng)收集研究者想要得到階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大降低人為的不可控誤差。

4）綜合實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸出口不止一個(gè)，因此，研究者可以在同一時(shí)間進(jìn)行同一反應(yīng)不同數(shù)據(jù)的收集，可以同時(shí)進(jìn)行不同角度的探索，增大研究的范圍。

5）動(dòng)態(tài)直觀：數(shù)據(jù)的表征形式既可以通過(guò)表格、曲線、圖像、數(shù)字多種表現(xiàn)形式動(dòng)態(tài)地觀察實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，也可以以視頻的形式將過(guò)程直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。

將手持技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)，能轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新精神，體現(xiàn)新一輪基礎(chǔ)教育改革的思想和理念。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

選擇不同的酚酞配制方法，使滴定終點(diǎn)（變色）盡量接近pH 為7，盡量減小滴定終點(diǎn)的系統(tǒng)誤差。

4 實(shí)驗(yàn)原理

酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)的選擇具體的酸堿反應(yīng)和酸堿的濃度對(duì)滴定終點(diǎn)的變色會(huì)有一定的影響。高中化學(xué)酸堿滴定一般采用的酸堿濃度為0.1 mol/L。本實(shí)驗(yàn)采用0.1 mol/L 稀鹽酸滴定0.1 mol/L NaOH 溶液。

酚酞變色范圍的影響因素由于酚酞為有機(jī)物，水中溶解度很小，小于0.1 g/100 mL，但易溶于乙醇，因此，酚酞一般用乙醇配制，而乙醇的濃度直接影響酚酞的溶解度。由于酚酞為有機(jī)物弱酸，酚酞的濃度也會(huì)影響滴定終點(diǎn)的觀察，最終配制的酚酞溶液的濃度會(huì)影響滴定終點(diǎn)顏色的變化。

手持技術(shù)的選擇利用pH 傳感器和PASCO 數(shù)據(jù)采集器及DataStudio 分析軟件，實(shí)時(shí)采集混合溶液的pH并同步轉(zhuǎn)化為圖像輸出。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中準(zhǔn)確記錄指示劑變色時(shí)的pH，找到最接近7 的配制。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)原理所需實(shí)驗(yàn)試劑包括0.1mol/L 濃鹽酸、0.1mol/L 氫氧化鈉、95%的乙醇、蒸餾水、酚酞固體；儀器包括PASCO 數(shù)據(jù)采集器、高精度滴定計(jì)、pH傳感器、計(jì)算機(jī)及DataStudio 軟件。

5 實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：向四組0.1 mol/L NaOH 溶液中分別滴加一滴不同配制方法配制的酚酞作為指示劑，溶液顯紅色。

第二步：將實(shí)驗(yàn)裝置與電腦連接并打開(kāi)軟件Data-Studio →將“圖表1”拖拽到“pH”上，出現(xiàn)“pH”圖像窗口。

第三步：將0.1 mol/L 稀鹽酸倒入滴定計(jì)，打開(kāi)滴定計(jì)下端旋塞，同時(shí)點(diǎn)擊電腦中的“啟動(dòng)”按鈕，記錄滴定過(guò)程。

第四步：仔細(xì)觀察溶液顏色，當(dāng)溶液開(kāi)始變無(wú)色時(shí)，立即關(guān)閉滴定計(jì)下端旋塞，停止滴加稀鹽酸，待pH 穩(wěn)定即兩物質(zhì)充分反應(yīng)時(shí)，記錄混合溶液的pH，以備分析。

6 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確立

學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)以定性為主，而高中階段則在此基礎(chǔ)上增加了定量的要求。雖然實(shí)驗(yàn)的精確度要求不高，但是指示劑的靈敏度越高，精確度會(huì)越好，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值就會(huì)越接近，如滴定曲線的繪制、中和熱的測(cè)定、食醋中乙酸含量的測(cè)定等實(shí)驗(yàn)，都需要定量。指示劑的靈敏度和精確度對(duì)實(shí)驗(yàn)有直接影響，因此，探究較佳的酚酞指示劑的配制方法，使其能更敏銳地顯示酸堿中和滴定的終點(diǎn)，滴定結(jié)果正好在滴定曲線突躍范圍之內(nèi)就顯得尤為重要了。故本實(shí)驗(yàn)選取反應(yīng)結(jié)束后溶液的pH 偏離7 的百分比作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：

7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一：稱取0.5 g 酚酞，用95%乙醇溶解，并稀釋至100mL，無(wú)須加水。pH在5.29的時(shí)候，指示劑變色，如圖1所示。

圖1 0.5 g 酚酞95%乙醇溶液指示劑

圖2 0.1 g 酚酞60%乙醇溶液指示劑

圖3 0.1 g 酚酞95%乙醇溶液指示劑

實(shí)驗(yàn)二：采用60%的酒精水溶液作為溶劑，稱取0.1 g酚酞，溶于100 mL 60%的酒精水溶液中。pH 在6.03 的時(shí)候，指示劑變色，如圖2 所示。

圖4 0.1 g 酚酞90%乙醇溶液指示劑

實(shí)驗(yàn)三：0.1 g 酚酞加60 mL 95%的乙醇，然后用去離子水定容至100 mL。pH 在6.95 的時(shí)候，指示劑變色，如圖3 所示。

實(shí)驗(yàn)四：稱取0.1 g 酚酞，用90%乙醇溶解，并稀釋至100 mL，無(wú)須加水。pH 在6.37 的時(shí)候，指示劑變色，如圖4 所示。

最佳配比：將四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用表格進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算pH偏離7百分比，數(shù)據(jù)如表1所示?？梢?jiàn)，基于本實(shí)驗(yàn)的探究，第三種酚酞指示劑配制方法較佳，即準(zhǔn)確稱取0.1g 酚酞，并用95%乙醇溶解，在中學(xué)化學(xué)鹽酸和氫氧化鈉的滴定實(shí)驗(yàn)中可以最大限度減小誤差。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

8 研究反思

首先，酚酞溶液的濃度越小，pH 偏離7 的百分比越小，即指示劑配制過(guò)程中所造成的系統(tǒng)誤差對(duì)酸堿中和滴定終點(diǎn)指示的影響越小，對(duì)滴定終點(diǎn)的顯示也就越精確，指示劑的靈敏度越高；其次，配制酚酞的試劑，相比較是95%的乙醇效果較好，這與酚酞屬于有機(jī)物相統(tǒng)一；最后，本實(shí)驗(yàn)局限于高中典型的酸堿中和滴定——鹽酸和氫氧化鈉的反應(yīng)，對(duì)不同酸堿的中和滴定也許會(huì)有不同的結(jié)果，并沒(méi)有進(jìn)行嘗試，有待進(jìn)一步探究。■