手持技术pH传感器在酸碱中和滴定实验中的应用

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。