利用数字传感技术绘制酸碱中和滴定曲线

宗国平

[摘 要]利用pH数字传感技术绘制酸碱中和滴定曲线，可感受滴定过程中的“突变”，体会强弱电解质滴定曲线的不同，并学会利用现代数字化技术进行探究。

[关键词]数字传感技术 酸碱中和滴定 曲线

[中图分类号] G633.8 [文献标识码] A [文章编号] 16746058（2015）260101

一、问题的提出背景

中学化学新课程标准中，明确提出“要在配有图形计算器或掌上电脑（掌上实验室）和信息传感器的学校，推广在化学实验中使用图形计算器或掌上电脑（掌上实验室）和信息传感器，并应用于课堂教学中，特别是应用于研究性学习中”。数字传感技术作为一种应用较为先进、实用性强、便于操作、集数据采集与分析于一体的实验系统，若能广泛应用于研究性实验，既体现新课改下教育思想与理念的转变，又符合学生学习的认知规律。苏教版《化学反应原理》中的绘制酸碱中和滴定曲线，恰好可以利用这一技术，将滴定过程中pH的变化情况借助计算机以图像的形式显示出来，即直接绘制滴定曲线，体会pH“突变”范围，同时还可以进一步探索强弱电解质滴定中和曲线的不同。

二、实验仪器和试剂

课堂设计：6个小组，分组实验。

实验器材：pH传感器、

数据采集器、计算机、磁力搅拌器、滴定管等。

试剂：蒸馏水、0.1000mol/L盐酸、0.1000mol/L氢氧化钠溶液、0.1000mol/L醋酸、0.1000mol/L碳酸钠溶液。

三、课堂实录片断及反思

片断一：传统绘制酸碱中和滴定曲线

师：同学们，上节课我们学习了酸碱中和滴定的方法和实验，今天我们一起来学习酸碱中和滴定的曲线绘制方法。请每个小组选取课本P75中的两个体积进行计算。

PPT：0.1000mol/L盐酸滴定0.1000mol/L氢氧化钠溶液20.00mL时的数据如下表所示。

小组展示：滴入5.00、10.00、19.95、20.05、22.00、30.00毫升盐酸时，pH的计算过程。

师：通过计算，各小组有什么发现？

小组发言：在恰好中和的点，少加一滴和多加一滴pH相差很大，而之前和之后的变化比较小。

师：很好，根据以上10个点，请大家在坐标纸上绘制盐酸滴定氢氧化钠的pH变化曲线。

小组展示：评选曲线平滑，作图准确的小组。

PPT展示：

小组总结：通过曲线可知，在酸碱滴定时，选择的指示剂变色范围在突变范围内，就不会造成太大的误差。

【反思】学生通过绘制曲线，熟悉pH的计算方法和技巧，体会“突跃”的过程，同时也发现数据点较少，曲线不平滑的缺点，从而提出实验测定的思路。

片断二：传感技术绘制酸碱中和滴定曲线

师：现在我们将利用pH传感器实时监测盐酸滴定氢氧化钠和醋酸滴定氢氧化钠溶液过程中pH的变化情况，并借助计算机绘制pH曲线，平行两组做对比实验，并找出两种曲线的不同，说明理由。

小组实验：两个小组按照图1所示组装实验装置，烧杯里加入20mL0.1000mol/L氢氧化钠溶液，上面的注射滴管中分别加入0.1000mol/L盐酸、0.1000mol/L醋酸，进行对比实验。

小组总结：

1.醋酸滴定时的曲线突跃范围小。

2.盐酸滴定氢氧化钠滴定终点pH等于7，而醋酸滴定氢氧化钠滴定终点pH约为9。

3.由曲线的变化也可判断醋酸是弱酸，醋酸钠水解呈碱性。

师：各小组实验观察和总结都做得很好，下面我们利用pH传感器借助计算机绘制氢氧化钠分别滴定盐酸和醋酸的曲线，小组观察并讨论曲线中提供的信息。

小组实验：两个平行小组按照图1所示组装实验装置，上面的注射滴管中加入0.1000mol/L氢氧化钠溶液，烧杯里分别加入20mL0.1000mol/L盐酸、0.1000mol/L醋酸进行对比实验。

小组总结：

1.两组曲线显示仍然是氢氧化钠滴定醋酸的曲线突跃范围小。

2.氢氧化钠滴定盐酸终点pH约为7，而氢氧化钠滴定醋酸终点pH约为9。

3.由曲线的变化也可判断醋酸是弱酸，醋酸钠水解呈碱性。

师：指示剂选择上有不同吗？

小组反馈：强酸强碱间的滴定，可以用甲基橙和酚酞，但是弱酸强碱间的滴定应该选择酚酞（变色范围为8～10）。

【反思】1.通过计算机绘制曲线认识到滴定过程中的“突变”是客观存在的；2.通过曲线观察，发现滴定终点与计量点并不完全一致，但是引起的实验误差并不大，可以保证酸碱中和滴定分析的科学性和准确性；

3.通过对比实验和观察曲线，发现强、弱电解质在滴定时间、起始点、突跃范围、滴定终点的pH、指示剂的选择等的不同，进一步体会弱电解质的电离平衡和盐类水解的原理。

片断三：传感技术探究盐酸滴定碳酸钠溶液滴定曲线

师：1.选择哪种试剂来测定未知碳酸钠溶液的浓度？

2.预测利用传感技术绘制的曲线可能有什么不同？

小组讨论、发言：用盐酸滴定碳酸钠溶液测定浓度，曲线的突跃有可能有两个：

小组实验：按照图1所示组装实验装置，上面的注射滴管中加入0.1000mol/L盐酸，烧杯里加入0.1000mol/L碳酸钠溶液进行实验。

师：各小组找到滴定突跃范围并解释。

小组总结：

1.盐酸滴定碳酸钠先反应生成碳酸氢钠，所以滴定终点pH约为8。

2.继续滴定到终点为氯化钠，但是由于产生的二氧化碳溶解在溶液中至饱和，使终点pH为酸性。

3.两次突变所用盐酸体积大约为1∶1。

师：那么我们选择什么样的酸碱指示剂呢？

小组讨论：

反馈1：第一计量点：Na2CO3+HCl=NaHCO3，此时由于碳酸氢钠水解呈现碱性，因此应该用酚酞作为指示剂。

反馈2：第二计量点：Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O，此时由于二氧化碳的饱和溶液呈现酸性，应该用甲基橙作为指示剂。

反馈3：从图中曲线观察到第二突跃范围比较明显，最好用甲基橙作为指示剂至反应结束。

【反思】1.认识酸碱滴定分析法的实用性和科学性；2.通过观察曲线，理解盐酸滴定碳酸钠溶液中反应分步进行的特点；3.继续发挥小组合作的精神，挖掘曲线中的信息点。

四、运用数字传感技术的体会

利用数字传感技术检测酸碱中和滴定过程中pH的变化，不仅可以减小指示剂种类和浓度产生的误差，而且经过数据采集器和计算机的处理直接转化为曲线，定性和定量同时进行，使实验显得更简单和准确，能够让学生更加直观地认识到突跃范围的真实客观性；还可以让学生观察到在滴定过程中溶液pH的变化规律，从量的角度认识化学变化的本质，对酸碱中和反应的实质有更加直观深刻的认识。当然从所有绘制的曲线中也可以看出曲线并不都是平滑的，其原因可能是实验滴定过程中，溶液搅拌充分需要一定的时间，或者滴速不均匀，而pH传感器又比较敏感等。这些误差反而更能够激发学生进行思考和探究，适时地提醒学生化学实验从定性到定量，是对化学实验变化规律和反应本质的探究，促进学生的思维跃迁。新颖的角度和精确的实验也使得学生的学习兴趣进一步提升，引发学生学习的主动性。

（责任编辑 罗 艳）