利用氧化還原測(cè)定亞硫酸鈉含量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)電勢(shì)(ORP)傳感器定量

朱成東 戈益超

摘要：科技進(jìn)步對(duì)教育教學(xué)具有明顯的促進(jìn)作用，許多時(shí)候能夠起到傳統(tǒng)教學(xué)難以企及的作用。本文從實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的角度出發(fā)，基于氧化還原滴定原理，采用酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液并借助氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器獲得滴定曲線圖，通過數(shù)學(xué)求導(dǎo)確定滴定終點(diǎn)，從而得到亞硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在教育教學(xué)中展示科技的魅力。

關(guān)鍵詞：氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器? 氧化還原滴定? 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

一、問題提出

亞硫酸鈉由于易被空氣中的氧氣氧化而變質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室往往需要標(biāo)定其含量。但是采用傳統(tǒng)的酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液方法，由于利用過量的酸性高錳酸鉀做指示劑，學(xué)生總認(rèn)為過量的高錳酸鉀會(huì)讓實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差。筆者運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)，借助氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器顯示滴定終點(diǎn)，從而求出質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既得到較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又可以加深學(xué)生對(duì)滴定過程中的“突躍”的理解，收到非常好的教學(xué)效果。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論

（一）氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器工作原理

氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器能夠測(cè)量溶液中氧化劑的氧化能力或還原劑的還原能力。ORP傳感器有兩個(gè)組件，其一是鉑金屬，浸在所測(cè)溶液中，另一組件為密封的銀/氯化銀凝膠（用作鉑半電池的標(biāo)準(zhǔn)），測(cè)量時(shí)通過電壓放大器呈現(xiàn)出電勢(shì)差，從而確定該溶液氧化性或還原性的強(qiáng)弱。

（二）實(shí)驗(yàn)滴定原理

酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液時(shí)，當(dāng)酸性高錳酸鉀溶液與亞硫酸鈉溶液恰好完全反應(yīng)時(shí)，ORP傳感器測(cè)得的電勢(shì)將迅速增加，此時(shí)電勢(shì)的變化最大。我們可以根據(jù)氧化還原滴定曲線，通過數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而計(jì)算樣品中亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（三）實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

儀器：1.電子天平，250 mL容量瓶，25.00 mL移液管

2.ORP傳感器，滴數(shù)傳感器，磁力攪拌器

3.數(shù)據(jù)采集器（VENIER LabPro），計(jì)算機(jī)及其相配套的軟件（Logger Pro 3）

藥品：1.亞硫酸鈉樣品

2.0.1000 mol/L KMnO4（硫酸酸化）標(biāo)準(zhǔn)溶液

3.除氧蒸餾水

（四）實(shí)驗(yàn)步驟

1.電子天平稱取10.00 g亞硫酸鈉樣品，用除氧蒸餾水配成250 mL溶液備用;

2.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，將ORP傳感器、滴數(shù)傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器再與計(jì)算機(jī)相連，之后將磁力攪拌器、小燒杯、ORP傳感器、滴定管依次放好，打開Logger Pro 3（軟件）;

3.先用高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液潤(rùn)洗滴定管，裝液25.00 mL，排氣泡，再用移液管移取25.00 mL亞硫酸鈉溶液于小燒杯中，準(zhǔn)備滴定;

4.打開軟件中數(shù)據(jù)采集功能，再打開磁力攪拌器，最后緩慢打開滴定管活塞，讓酸性高錳酸鉀溶液逐滴滴下，計(jì)數(shù)器采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)繪制滴定曲線。

（四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液過程中ORP傳感器測(cè)量溶液的電勢(shì)隨高錳酸鉀溶液體積變化的曲線圖如圖2（a）所示，利用軟件所帶的程序?qū)D2（a）中的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，得到一次導(dǎo)數(shù)曲線如圖2（b）所示。

說明：滴定過程中，當(dāng)酸性高錳酸鉀溶液滴加到20.00 mL時(shí)，ORP傳感器測(cè)量溶液的電勢(shì)變化率最快，即圖2（b）中的最高點(diǎn)，也是氧化還原反應(yīng)恰好進(jìn)行完全的點(diǎn)。

結(jié)論：計(jì)算樣品中亞硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)=0.02 L×0.1000 mol·L-1×52×126 g·mol-110.0 g×25 mL250 mL×100%=63.0%。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

1.在氧化還原滴定中，利用ORP傳感器測(cè)量電勢(shì)變化，可以不需要指示劑就能準(zhǔn)確測(cè)量出氧化還原反應(yīng)恰好完全進(jìn)行的等量點(diǎn)，從而很好地解決因找不到合適的指示劑而無法進(jìn)行氧化還原滴定的實(shí)驗(yàn);

2.與滴數(shù)傳感器結(jié)合使用，準(zhǔn)確記錄滴加溶液的體積，同時(shí)生成圖像，再用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，軟件（Logger Pro 3）可以自動(dòng)求導(dǎo)，更容易找到電勢(shì)隨體積變化率最快的點(diǎn);

3.酸性高錳酸鉀滴定亞硫酸鈉溶液過程中，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)生成曲線圖像，因此可以用四重表征（宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征、曲線表征）來重新理解氧化還原滴定。而滴定過程中溶液變紅這一宏觀表征與曲線中“突躍”這一曲線表征的完美結(jié)合，極大地激發(fā)了學(xué)生求知的欲望，解決了酸性高錳酸鉀作指示劑帶來的誤差問題，且同時(shí)直觀地看到“突躍”這一現(xiàn)象，加深學(xué)生對(duì)“突躍”的理解。