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一、實驗目的 1.掌握pH傳感器的實時檢測功能，并借助數據采集器和計算機直接生成數據曲線，便捷、直觀地反映中和反應過程中pH的變化。 2.認識中和滴定中pH突躍的存在，加深理解酸堿中和滴定方法的原理。 3.掌握pH變化曲線可用作研究酸、堿中和反應，并對其進行數學建模以及進行相關探討。 二、實驗背景 pH的突躍是酸堿中和滴定過程的重要特點，對于選擇合適的酸堿指示劑以及該分析方法的準確性具要重要意義。但學生不易理解教材中講述的“當接近滴定終點（pH=7）時，很少量（0.04mL,約1滴）的堿或酸就會引起溶液pH突變（人教版選修四）”，更難理解為何指示劑的變化點不在pH=7處，卻可以用來指示反應的化學計量點。因此老師在教學環節常會引申介紹pH突躍的存在，但這一內容又會成為學生理解的一個難點。 三、實驗原理 用已知物質的量的濃度的酸或堿（標準溶液）來測定未知物質的量濃度的堿或酸（待測溶液或未知溶液）的方法叫做酸堿中和滴定。常規的酸堿中和滴定是利用指示劑的變色來判斷中和滴定的終點(即等當點)，這要求操作者對于指示劑顏色變化十分敏感。本實驗通過pH傳感器和滴數傳感器，監測鹽酸與氫氧化鈉溶液中和反應過程中pH變化，可以加入過量的標準液，不必關心滴定終點。滴定終點可以通過分析滴定曲線得出，從而使得滴定終點的判斷更加簡單、準確。 鹽酸與氫氧化鈉溶液中和反應的離子方程式為： H++ OH?= H2O
四、實驗儀器和藥品 實驗藥品：0.1000mol/L鹽酸溶液、未知氫氧化鈉濃度溶液(濃度為0.1mol/L左右)、pH標準緩沖溶液(pH= 6.865、pH=9.180)、酚酞溶液。
實驗裝置：如下圖所示。 五、實驗步驟 1.用標準緩沖溶液校正pH傳感器，通過滴數傳感器校正滴定管滴出的一滴液體的體積。 2.使用移液管移取25.00 mL待測氫氧化鈉溶液轉移到燒杯中，并滴入2~3滴酚酞溶液（用以對照酚酞溶液褪色時的pH）。 3.向燒杯中放入小磁子，將燒杯放在磁力攪拌器上，開始攪拌。 4.在滴定管中注入約30mL 0.1000 mol/L的鹽酸（無需排氣泡和讀刻度，所用標準液體積由滴數傳感器自動給出）。 5.再將潔凈的pH傳感器插入燒杯中的氫氧化鈉溶液中，并連接好數據采集器和電腦。 6.開始滴定并收集數據。 7.完成滴定后，處置反應中的混合物。用蒸餾水沖洗pH傳感器，清洗儀器。 8.計算待測氫氧化鈉溶液的濃度。 9.利用軟件處理得出酸堿滴定曲線并加以分析。 六、交流討論 1.觀察滴定曲線，它有什么特點？如果向酸溶液中勻速滴入堿，滴定曲線應該是什么形狀？ 2.如果以指示劑變色時作為滴定終點，酚酞曲無色變為淺紅色是pH=8，甲基橙由黃色變為橙色時pH＝4.4，它們變色時 pH都不為7，即不是恰好中和，但是它們作為指示劑進行酸堿中和滴定時引起的誤差并不大，請你結合滴定曲線予以說明。 3.若上述實驗的指示劑改用甲基橙，滴定結果有何不同？為什么？ 七、利用手持技術進行酸堿滴定實驗的優勢 通過pH傳感器和滴數傳感器實驗檢測滴定過程中溶液的pH，并由計算機顯示數據和曲線，即可直觀地反映出中和反應過程中pH的變化情況。 1、鹽酸與氫氧化鈉中和反應pH的變化 強酸與強堿的反應是一類最簡單的中和反應，以鹽酸與氫氧化鈉反應為例，中和過程中的pH隨標準液鹽酸的體積變化如圖所示。通過這條曲線可以幫助學生理解許多難點問題：（1）認識滴定過程的“突躍”是客觀存在的；（2）通過數據曲可以發現，化學計量點附近的pH變化顯著，盡管滴定終點與反應計量點并不完全一致，但引起的實驗誤差并不大，這正是酸堿中和滴定這一分析方法的科學 性和準確性得以保證的原因所在。 另外，數據采集器支持多個傳感器同時工作，如果同時檢測溶液的溫度變化和pH變化則可以得到溫度變化曲線，pH變化曲線反應過程中的能量轉換以及pH變化情況得得到體現。 2.利用pH變化曲線進行數學建模 在微積分引入中學數學后，大大拓展了學生對數學問題的理解與認識，利用pH變化曲線進行微分變換，則可成為一個很好的構建化學問題教學建模的案例。與傳感器配套的采集與處理軟件一般都提供了利用函數進行數據分析和處理的功能，可以直接對檢測的數據進行微分或積分計算，然后對函數曲線進行分析，省去了復雜的計算過程，卻突出了其中的數學思想。 如果對滴定曲線求微分，得到一階導數曲線，由導數曲線分析可得：（1）滴定過程pH數值減小，因此導數為負值；（2）在化學計量點之前，pH下降的速度加快，導數的絕對值增大；（3）在化學計量點之后，pH下降的速度減慢，層數的絕對值減小；（4）導數達到的極值點，便是化學計量點，對于突躍不太明顯的反應，也可以用這各方法確定化學計量點。
對一階導數再次求微分，可得到二階導數曲線，同樣可以進行上述分析，這些都是微積分教學中的常規問題。利用傳感器以及相關軟件使得我們對變化的記錄以及原理的提示更加簡便，也為化學問題數學模型的整合提供了便利的條件。
利用傳感器檢測中和反應過程中pH的變化，經數據采集器和計算機的處理可以直接轉化為曲線呈現，大大簡化了繪制中和反應曲線的實驗，使學生能夠更加直觀地認識這一過程pH的變化趨勢，建議可作為新課程“反應反應原理”和“實驗化學”相關內容的替代實驗。 |
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