计算机辅助配位滴定实验教学的若干实例

占达东 柏文良 李攻科 甘峰

(中山大学化学与化学工程学院 广东广州510275)

计算机与化学

计算机辅助配位滴定实验教学的若干实例

占达东 柏文良 李攻科 甘峰*

(中山大学化学与化学工程学院 广东广州510275)

介绍计算机辅助分析化学实验教学在配位滴定教学中的几个实例。结果表明，借助滴定软件，学生能更为直观地领会配位滴定的本质，并可在实验过程中取得较好的效果。

分析化学实验教学［1-2］是大学基础化学教学的重要组成部分，在培养学生的动手能力和把所学理论知识运用于实际分析过程方面起重要的作用。同时，分析化学实验也是让学生真正领会分析化学关于量的概念的重要性的一个重要环节。分析化学实验教学和分析化学理论教学［3］的完美结合，对学生掌握完整的分析化学知识体系起着至关重要的作用。

然而，随着教学改革的逐步推进，分析化学实验教学面临着越来越严峻的考验。首先，分析化学理论教学课时数的压缩使得理论课教学与实验课教学几乎同步进行。这就使得学生往往在还没有学习相关理论知识的时候，就被动地接受实验课教学及相关的操作实验;其次，有些分析化学实验教学手段陈旧，难以形象直观地展示定量分析过程的本质，往往事倍功半;最后，学生在课外的预习过程中，缺乏相应的辅助学习工具，使其难于把握实验内容和步骤而收效甚微。所以，根据新形势改进分析化学实验教学，是摆在教师面前的一个急需解决的问题。

我们认为，在新形势下，采用计算机辅助分析化学实验教学是一个值得重视的课题。国内外的许多高校在这个方面做了有益的探索，制作了许多分析化学实验教学的课件。这些成果对于分析化学实验教学起了一定的促进作用。

1 基础实验的教学实例

1.1 EDTA标准溶液的标定

EDTA标准溶液的配制及标定实验是配位滴定的一个最基础又最重要的实验，对其掌握的好坏，直接关系到后续实验的成败。用于标定EDTA的标准物质有很多，实验教学中通常介绍用锌和碳酸钙作基准物质的相关实验内容。当采用碳酸钙作为标准物质时，反应体系的pH控制在10.0左右，使用铬黑T做指示剂。为了使终点显色明锐，还需在缓冲溶液中先加入少量MgY2-。而当采用锌作标准物质时，反应体系的pH要控制在5～6，使用二甲酚橙做指示剂。

在实验教学中，教师通常是借助配位滴定条件式(lg(cK'(MY))≥6)，通过阐明K'(MY)随pH改变来进行讲解。然而，由于上式属静态陈述，无法很好地揭示配位滴定的动态过程，学生并不能很好地理解采用不同标准物质时的滴定特点。我们在教学过程中向学生展示了在采用不同标准物质及不同pH下的滴定曲线图，通过对比，使学生较好地理解这部分内容。图1为以碳酸钙作标准物质时的滴定曲线;图2为以锌作标准物质时的滴定曲线。从图1可以看到，在pH=5时，滴定曲线在化学计量点的位置上(ρ=1)没有突跃，故不能在这种条件下用碳酸钙标定EDTA;而在pH=10.0时，滴定曲线上有明显突跃，故此时可用碳酸钙标定EDTA。而采用锌作为标准物质时，化学计量点的位置虽然不变，但滴定曲线的突跃范围却不同，pH= 10.0时的突跃范围要大于pH=5.0时的突跃范围。所以，采用氧化锌做标准物质时，要根据不同的pH选用不同的指示剂。在pH=10.0时，可选用铬黑T做指示剂;而在pH=5.0时，可选用二甲酚橙做指示剂。通过这种直观的图形演示，可使学生在理解选用不同的标准物对EDTA溶液进行标定这个问题上有更为直观的认识，在实际的分析操作中减少盲目性。

图1 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Ca2+溶液的滴定曲线

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

1.2 水的总硬度测定

水的总硬度测定是合量滴定的一个典型例子。水的总硬度指水中的钙镁离子总量，由于钙离子和镁离子与EDTA的稳定常数相差不大，故通常情况下只能滴定它们的总量。然而，这一点常引发学生的困惑。原因在于学生很难仅仅从稳定常数的差异上想象出滴定过程中钙、镁离子浓度的变化，也很难对滴定的化学计量点有直观的认识。

图3为EDTA滴定钙、镁混合离子的滴定曲线。从图3可以看到，钙、镁离子浓度在ρ=2时发生突跃。这一结果表明，EDTA确实可以滴定钙、镁离子的总量。从图3还可以看到，在滴定开始时，首先是钙离子与EDTA反应为主，而在接近化学计量点时，镁离子被快速消耗掉，紧接着钙离子也被快速消耗掉。这一有趣的次序提示我们:在采用EDTA测定水的总硬度时，EDTA标准溶液的标定宜采用碳酸钙作为标准物质。在混合离子合量滴定过程中，不同离子在化学计量点附近的演进特征，是传统的实验教学方式所难于揭示的。

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

2 提高阶段的教学实例

2.1 铅铋混合溶液的连续滴定

铅铋混合溶液的连续滴定实验是一个比较典型的分步滴定的例子。这个实验的目的是向学生揭示通过调节溶液的pH实现多个组分的依次滴定。尽管控制酸度的滴定在理论教学中已经被充分地强调过，但并不直观。这个实验分两步进行:(1)先调节溶液的pH≈1，以二甲酚橙为指示剂，用EDTA标准溶液滴定其中的铋离子;(2)在滴定完铋离子后，用六亚甲基四胺溶液调节溶液pH为5～6，再用EDTA标准溶液滴定其中的铅离子。

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

图4为pH≈1时的滴定曲线。从图4可以看到，在整个滴定过程中及在铋的化学计量点前后，铅离子的浓度基本不变，这就直观地显示出在此酸度条件下，铅离子的存在对于铋离子的滴定没有影响。图5为在铋离子滴定完全之后，将溶液的pH调节为5～6时的滴定曲线。在前一步滴定中，化学计量点时铋离子的游离浓度约为7.92×10-7mol/L;当pH调节至5～6时，铋离子浓度约为3.98×10-28mol/L。由于此时溶液中的铋离子浓度非常低，不会对铅离子的滴定产生影响。

图5 当图4中铋离子被滴定完全后用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Bi3+和0.01mol·L－1Pb2+混合溶液pH=5.0

2.2 测定锌铝混合溶液中的锌离子浓度

测定锌铝混合溶液中的锌离子浓度这个实验是作为设计性实验开设的。该实验要求学生对给定的实验项目进行设计，写出自己的设计方案。设计性实验对提高学生分析问题、解决问题的能力有很大的帮助，是培养创新人才的一种有效方法，在大学化学教学中已越来越受到重视。

然而，设计性实验对于低年级本科生而言，还有一定的难度。例如，上述实验的难点在于选择合适的掩蔽剂，这需要对各种掩蔽剂的使用条件及掩蔽效果进行相应的计算。如果使用手工计算，则计算量较大，且不直观。

图6(a)是用EDTA直接滴定锌铝混合溶液的滴定曲线。从图6(a)可以看到，如果不采用某种方式消除铝的影响，则只能实现合量滴定。图6(b)为以氟化氨做掩蔽剂时的滴定曲线。从图6(b)可以看到，在掩蔽剂作用下，溶液中的铝离子浓度非常低，并且在整个滴定过程中其浓度基本不变，所以它对EDTA滴定锌离子已经没有任何影响。

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

如果学生能用计算机模拟出各种实验条件下的实验结果，通过比较分析，实验的设计思路就清晰了，设计的实验就容易获得成功。相对于传统的试探方法，采用计算机辅助设计实验，可以减少化学试剂的使用量，有利于节约成本和保护环境。

3 结束语

用计算机辅助配位滴定实验教学，给分析化学实验教学提供了一种新方法。在教学过程中，教师可根据教学需要，将各种相关实验条件输入到滴定软件中，由计算机模拟出滴定过程中各种金属离子浓度的变化，并显出相应曲线图，这样就可以通过图中的滴定曲线直观形象地讲述滴定的动态过程，避开理论讲述和公式计算，避免重复讲述理论课的内容;学生也容易掌握实验原理，有更多的时间动手操作。从实验教学效果来看，那些在实验课前借助滴定软件进行了充分预习的学生，所用实验时间会比其他学生少一小时左右，且实验结果相对较好。

［1］ 蔡明招.分析化学实验.北京:化学工业出版社，2004

［2］ 华中师范大学，东北师范大学，陕西师范大学，等.分析化学实验.第3版.北京:高等教育出版社，2007

［3］ 甘峰.分析化学基础教程.北京:化学工业出版社，2007