数字化传感技术在化学实验中的考查

陈红英

(山东省邹城市实验中学)

实验过程中发生的变化比较复杂,为精确研究化学反应过程中发生的变化,人们把传感技术应用在化学实验中.因此,对传感器记录的结果或传感图像的分析等成为新的考点.

1 利用传感器记录的结果考查化学反应原理

有些试题直接叙述了传感器记录的实验结果,让考生分析实验中发生的化学反应,进行相关计算.

例1图1为某种氧电化学传感器的原理示意图.已知在测定O2含量的过程中,电解质溶液的质量保持不变.一定时间内,若通过传感器的待测气体为aL(标准状况),某电极质量增加了bg.下列说法正确的是( ).

图1

A.氧电化学传感器工作时,电流由Pb电极通过外电路流向Pt电极

B.Pb上发生的电极反应式为

C.反应过程中转移电子的物质的量为0.25bmol

分析根据电池图像可知,通入氧气的Pt电极为正极,得到电子发生还原反应,电极方程式为O2＋2 H2O＋4e－＝4 OH－,Pb电极为负极,失去电子发生氧化反应,由于电解质溶液的质量保持不变,说明Pt电极消耗的氧气与Pb电极上得到的O 原子质量相等,电极方程式 为2Pb＋4 OH－－4e－＝2Pb O ＋2 H2O.由以上分析可知,Pt电极为正极,Pb电极为负极,电流由Pt电极通过外电路流向Pb电极,选项A、B错误.反应过程中Pb电极质量增加,增加的为O 元素的质量,当增加的质量为bg时,n(O)＝,故n(Pb O)＝n(O)＝,根据

可知n(e－)＝2n(Pb O)＝＝0.125bmol,选项C错误.由电子守恒得,n(O2)＝标准状况下O2的体积为×22.4 L•mol－1＝0.7bL,待测气体中氧气的体积分数为,选项D正确.答案为D.

2 利用传感图像考查化学反应过程的变化

利用传感技术可以对化学实验从不同的角度进行有关量的测定,从而得出化学变化中的复杂性.

例2数字化实验将传感器数据采集器和计算机相连,利用信息技术对化学实验进行数据的采集和分析.某学习小组利用数字化实验对光照过程中新制饱和氯水的变化进行检测,下列图像错误的是( ).

分析Cl2与水发生反应:Cl2＋H2O⇌HCl＋HCl O.HCl O 不稳定,光照发生反应:2 HCl O2 HCl＋O2↑.可逆反应的化学平衡正向移动,导致溶液中c(H＋)增大,因此溶液的p H 逐渐变小,同时c(Cl－)不断增大,选项A、B 正确.溶液的电导率随溶液中自由移动离子浓度的增大而增大.氯水久置,使溶液中自由移动的离子浓度增大,经足够长时间,溶液中离子浓度达到最大值,电导率最大,后不再发生变化,图示与实验事实不符,选项C 错误.氯水久置,次氯酸分解生成氯化氢和氧气,氯化氢溶于水得到盐酸,所以液面上方氧气体积分数增加,选项D 正确.答案为C.

3 利用离子浓度传感器研究滴定过程中物质发生的反应

利用离子浓度传感器记录滴定过程中各离子浓度的变化,进而可以根据离子浓度的变化判断滴定过程中发生的化学反应,进行有关量的计算.

例3某实验小组利用数字化手持技术探究Na2CO3溶液(1.0 mol•L－1)滴定盐酸(10.00 mL、1.0 mol•L－1)的过程中离子浓度的变化,实验装置如图2所示(夹持装置略).

图2

已知:常温下,Ka1(H2CO3)＝1.0×10－6.4mol•L－1,Ka2(H2CO3)＝1.0×10－10.3mol•L－1.

滴定完成后,Na2CO3标准溶液过量,数据采集器得到 的、c(H2CO3)随 加 入Na2CO3标准溶液体积的变化曲线如图3所示(假设水溶液中CO2以H2CO3形式存在,忽略滴定过程中CO2的逸出).

图3

回答下列问题:

(2)写出BC段的离子方程式:_______.

(3)E点对应的V2＝________.

(4)滴加的Na2CO3标准溶液体积为V3时,混合液中含碳元素的主要微粒为________.

(5)D点对应溶液的p H＝________.

分析Na2CO3标准溶液滴定盐酸分为3个阶段.第一个阶段(0～V1mL):Na2CO3＋2 HCl＝2 Na Cl＋H2CO3,c(H2CO3)逐渐增大.第二个阶段(V1～V2mL):Na2CO3＋H2CO3＝2Na HCO3,c(H2CO3)逐渐减小,c()逐渐增大.第三个阶段(V2～V3mL):Na2CO3过量,c()逐渐增大,由于溶液体积增大,c()逐渐减小.(1)由分析知,曲线甲、乙、丙分别表示c(H2CO3)、c()和c().(2)BC段离子反应方程式为＋H2CO3＝.(3)E点为碳酸钠和碳酸恰好完全反应生成碳酸氢钠,第一个阶段发生反应Na2CO3＋2 HCl＝2 Na Cl＋H2CO3,滴定10.00 mL、1.0 mol•L－1盐酸消耗1.0 mol•L－1Na2CO3溶液5.00 mL,生成5 mmol H2CO3,第二个阶段发生反应Na2CO3＋H2CO3＝2 Na HCO3,生成5 mmol H2CO3,消耗Na2CO3溶液5.00 mL,则V2＝5.00 mL＋5.00 mL＝10.00 mL.(4)滴加的Na2CO3标准溶液体积为V3时,Na2CO3溶液过量,溶液中的溶质为NaCl、Na HCO3、Na2CO3,则混合液中碳元素主要以形式存在.(5)D点时,c()＝c(H2CO3),则Ka1(H2CO3)＝＝c(H＋)＝1.0×10－6.4mol•L－1,对应溶液的p H＝6.4.

总之,科学技术越来越多地应用在化学实验研究中,成为研究化学实验的重要工具,让我们深刻理解化学反应的实质.当然在分析这些变化或图像时,要根据化学反应原理分析,不能偏离基本的化学反应.

(完)