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手持技术pH传感器在酸碱中和滴定实验中的应用

2016-10-13贺阳

黑龙江教育·中学 2016年8期
关键词:强酸指示剂酸碱

贺阳

一、 问题的提出

传统教学通过计算法绘制pH-V曲线,对误差进行分析,用指示剂指示滴定终点,虽然思路清晰,但学生对pH突跃没有形象直观的认识。

通过手持技术(数字化信息系统)绘制pH曲线,形象直观、方便快捷、准确率高,更具说服力,有利于学生对pH突跃、突跃范围、化学计量点、滴定终点、指示剂选择等概念的理解。

二、手持技术在酸碱中和滴定实验定性概念方面的突破

1. 滴定曲线的绘制

将滴定管、中和滴定实验器、光电门、pH传感器的相对位置固定后,用0.1000mol/L的HCl溶液滴定30mL未知浓度的NaOH溶液,利用软件完成实验操作,得到滴定曲线图。

图1:酸碱中和滴定实验装置

图2:0.1000mol/L

盐酸滴定未知浓度氢氧化钠溶液pH曲线(点)

pH曲线变化规律:随着盐酸的滴加,刚开始时pH值降低的较慢,当溶液接近中性时,一滴(0.04mL-0.05mL)盐酸溶液便引起pH值的突然变化,从碱性突然变成酸性,继续滴加盐酸,pH值变化又趋于平缓。

计算法绘制pH曲线费时费力;计算机实时绘制曲线,形象直观,准确率高。不仅给学生以视觉冲击,更能形象直观地显示出1滴溶液引起的pH突跃,同时有利于学生科学素养的培养。

2. pH突跃及突跃范围

pH突跃:当接近滴定终点时(pH=7)时,很少的溶液(0.04mL,约1滴)引起pH值的突然变化。

突跃范围:化学计量点前后相对误差-0.1%-+0.1%范围内,1滴酸(约0.04-0.05mL)引起pH值的变化范围。用0.1000mol/L的盐酸滴定0.1000mol/L氢氧化钠,突跃范围是9.7-4.3,浓度不同、强弱不同的酸碱中和滴定,突跃范围不同。

从图像上可以直接读出pH突跃时的变化范围,省去了计算的麻烦。

3. 滴定终点和化学计量点的关系

化学计量点:酸碱恰好完全中和时,对于强酸、强碱而言,即pH=7时的点。

滴定终点:能够引起pH突跃的点,位于pH突跃范围之内,与恰好中和点(化学计量点)相差甚微,在误差允许范围内。

仔细观察滴定过程中图像“点”的变化,pH的突跃说明实际滴定过程很难恰好滴到化学计量点(除非滴加半滴)。学生可清楚认识到化学计量点和滴定终点并非同一点,能够引起pH突跃的点便看作滴定终点。

4. 指示剂的选择

观察pH曲线,如果1滴酸溶液不仅能引起pH值的突变,还能引起某种指示剂颜色变化,则该指示剂就能以极小的误差指示滴定终点,前提是该指示剂变色范围要全部或部分落在pH突跃范围内。

由于人类视觉敏感程度不同,红蓝变化不明显,所以石蕊不用做中和滴定指示剂。酚酞(8.2~10.0)、甲基橙(3.1~4.4)变色范围部分落在突跃范围内,故可做中和滴定的指示剂。虽然指示剂指示的终点并非化学计量点,但可以保证由此引起的误差不超过±0.1%。

滴定实验显示,当pH值突跃时,甲基橙恰好从黄变橙。理论与实际相符,这是传统实验教学达不到的效果,有助于加深学生对指示剂选择的理解。

5. 不同类型滴定曲线的对比

对比图3和图4,强酸强碱之间互滴,pH突跃范围一致。

对比图4和图5,由于等浓度的弱酸比强酸pH值大,故起点高;由于恰好中和时产物为强碱弱酸盐,故化学计量点pH>7 ;强碱滴定弱酸突跃范围比强碱滴定强酸窄,而指示剂变色范围要落在突跃范围内,故选择酚酞。反之,若强酸滴定弱碱,可选择甲基橙为指示剂。

通过计算法绘制pH曲线步骤烦琐,计算量大,尤其是含弱酸弱碱的滴定,很难计算出具体pH值。但手持技术的pH传感器可以快速、实时、准确测定pH值,并绘制相应的滴定曲线。

三、手持技术在酸碱中和滴定实验定量计算方面的突破

例:未知浓度NaOH溶液浓度的测定。

通过数字化实验仪器完成滴定操作,第7步“显示连线”后,点击右键“显示坐标”,即可读出pH=7时对应的体积,根据公式c(待)=,求出待测液浓度,反复实验2-3次,取平均值。

传统实验教学根据指示剂变色判定滴定终点。由于读数和指示剂颜色变化都存在误差,故结果误差大。用手持技术绘制pH-V曲线,光电门可准确记录所滴加液体的体积,可直接在图像上读出pH=7对应的V值,准确率高,误差小。

四、 对手持技术在酸碱中和滴定实验中应用的思考

用 pH传感器判断滴定终点时,接近滴定终点时要减缓液体滴速,并充分搅拌,在室温下操作,以减少实验误差。除此之外,还可用温度传感器得出温度曲线,再对滴定曲线进行求导,得出导数曲线,从导数曲线中可以确定严格意义的滴定终点;还可用电导率传感器绘制电导率曲线,找到电导率最低点对应的体积,从而确定滴定终点。这两种方法不仅适用于强酸强碱,还适用于含弱酸弱碱的中和滴定。

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