氫氧化鈉滴定一元酸、二元酸及弱酸過程中電導(dǎo)率變化的探究

1、氫氧化鈉滴定一元酸、二元酸及弱酸過程中電導(dǎo)率變化的探究黃菲菲 李霞 錢揚(yáng)義* 錢揚(yáng)義，qianyy華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 廣東廣州 510006)摘 要 電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性與中和滴定的結(jié)合考查學(xué)生對(duì)圖形及知識(shí)點(diǎn)的理解往往難度較大。本實(shí)驗(yàn)利用手持技術(shù)探究酸堿滴定過程中電導(dǎo)率的變化，設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用氫氧化鈉分別滴定一元酸鹽酸、二元酸硫酸及弱酸醋酸，并用origin7.0處理數(shù)據(jù)，得到較好的結(jié)果，能明顯觀察到滴定終點(diǎn)，確定NaOH的用量，幫助學(xué)生理解強(qiáng)弱電解質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 手持技術(shù) 電導(dǎo)率 酸堿滴定1 研究背景1.1 研究綜述酸堿中和滴定在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中多利用指示劑

2、的變色來確定滴定終點(diǎn)，而數(shù)字化手持技術(shù)克服了肉眼觀察的誤差及對(duì)指示劑選擇的局限，利用pH探頭對(duì)滴定過程進(jìn)行記錄，更加便捷、準(zhǔn)確地判斷滴定終點(diǎn)。如錢揚(yáng)義在手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)一書中，研究了酸堿中和反應(yīng)中pH的變化規(guī)律1，不同類型的酸堿中和反應(yīng)pH變化規(guī)律2以及不同濃度的pH變化規(guī)律3。然而，酸堿中和反應(yīng)還可以利用電導(dǎo)滴定4，且對(duì)于弱酸弱堿的滴定可獲得滿意的結(jié)果5。電導(dǎo)分析法在儀器分析實(shí)驗(yàn)的相關(guān)教材中均有介紹，缺點(diǎn)是通過在滴定過程中多次測量描點(diǎn)確定滴定終點(diǎn)，較為繁瑣；利用手持技術(shù)測量酸堿中和反應(yīng)中電導(dǎo)率的變化便捷，但較為少見，文獻(xiàn)報(bào)道僅有鄧峰等人利用電導(dǎo)率測定氫氧化鈉滴定鹽酸

3、、醋酸及混合酸的滴定終點(diǎn)6。而中學(xué)化學(xué)教學(xué)中也常涉及到酸堿滴定過程中電導(dǎo)率變化，主要分析的是強(qiáng)弱電解質(zhì)的變化。強(qiáng)弱電解質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)一直是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重難點(diǎn)，08年化學(xué)高考第18題以電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性為基本要素結(jié)合中和滴定考查考生對(duì)圖表、文字信息的獲取的能力和分析應(yīng)用能力。 18電導(dǎo)率是衡量電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力大小的物理量，根據(jù)溶液電導(dǎo)率變化可以確定滴定反應(yīng)的終點(diǎn)。右圖是用KOH溶液分別滴定HCl溶液和CH3COOH溶液的滴定曲線示意圖。下列示意圖中，能正確表示用NH3×H2O溶液滴定HCl和CH3COOH混合溶液的滴定曲線的是ABACADA該題的難度為0.2979，說明學(xué)生對(duì)強(qiáng)弱電解質(zhì)

4、知識(shí)的應(yīng)用和遷移能力較弱。1.2 實(shí)驗(yàn)原理電導(dǎo)滴定法是通過測定溶液的電導(dǎo)，求出反應(yīng)終點(diǎn)的方法。當(dāng)電極的大小和電極間的距離一定時(shí)，電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)則決定于溶液中的離子的濃度和種類。如果離子的濃度和種類發(fā)生變化，則溶液的電導(dǎo)也隨之發(fā)生變化7。電導(dǎo)率傳感器是測定溶液電導(dǎo)率的一類傳感器，它通過測定流過兩個(gè)固定電極之間的電流而間接測量電導(dǎo)率。 當(dāng)溶液中發(fā)生酸堿中和化學(xué)反應(yīng)時(shí)，由于生成了弱電解質(zhì)H2O 和溶液離子種類的改變，溶液的電導(dǎo)率將會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，根據(jù)電導(dǎo)率變化曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以確定對(duì)應(yīng)溶液的濃度及分析強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離平衡過程。2 問題提出高中課程對(duì)強(qiáng)電解質(zhì)與弱電解質(zhì)的解釋只是從電

5、離的程度來進(jìn)行定義，學(xué)生對(duì)強(qiáng)弱電解質(zhì)的理解僅僅停留在知識(shí)層面，一旦涉及到應(yīng)用方面與電導(dǎo)率相結(jié)合，他們就很難理解中間的過程和變化。強(qiáng)堿滴定鹽酸過程中的電導(dǎo)率變化是怎樣的呢？二元酸、弱酸呢？酸堿中和滴定通常用pH來判斷滴定終點(diǎn)，利用電導(dǎo)率的變化能否判斷滴定終點(diǎn)呢？本實(shí)驗(yàn)利用手持技術(shù)能夠直觀地體現(xiàn)滴定過程的電導(dǎo)率變化，提供科學(xué)數(shù)據(jù)，并且通過對(duì)電導(dǎo)率變化的分析可以提高學(xué)生的讀圖能力和分析能力。3 猜想與假設(shè)（1）氫氧化鈉滴定鹽酸過程中，電導(dǎo)率先下降，后上升，拐點(diǎn)處為滴定終點(diǎn)；（2）氫氧化鈉滴定硫酸過程中，電導(dǎo)率先下降，后上升，拐點(diǎn)處為滴定終點(diǎn)；（3）氫氧化鈉滴定醋酸過程中，電導(dǎo)率持續(xù)上升，先慢后快，拐

6、點(diǎn)處為滴定終點(diǎn)。4 實(shí)驗(yàn)探究思路 本實(shí)驗(yàn)的探究思路見圖1。圖1 實(shí)驗(yàn)探究思路5儀器與藥品5.1 儀器Nova5000數(shù)據(jù)采集器，電導(dǎo)率傳感器（0-20ms），磁力攪拌器，電子天平，100mL燒杯（1個(gè)），250mL燒杯（1個(gè)），容量瓶（200mL、500mL），移液管（1mL、5mL、20mL），堿式滴定管（50mL），滴管，玻璃棒5.2 藥品NaOH（分析純），HCl（分析純），H2SO4（分析純），CH3COOH（分析純）6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Nova5000圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖6.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：（1） 用電子天平稱量4.0000g氫氧化鈉，溶解，用去離子水配制200mL0.5mol/L的氫氧化鈉溶液；

7、（2） 用移液管取2.15mL鹽酸，配制500mL0.05mol/L鹽酸溶液；（3） 用移液管取0.68mL硫酸，配制500mL0.025mol/L硫酸溶液（4）用移液管取4.0mL醋酸到500mL容量瓶，加去離子水至刻度，配制0.05mol/L的醋酸溶液。6.2 實(shí)驗(yàn)步驟：（1）洗滌、潤洗堿式滴定管，裝入0.5mol/L的氫氧化鈉溶液（2）用移液管移取40.0mL鹽酸溶液于100mL燒杯中待滴定（3）按圖2組裝裝置，在Nova5000中設(shè)置Logger“Rate: 10 Samples per second”，“Samples: Continuous”（4）點(diǎn)擊“Run”開始采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)

8、行滴定（5）實(shí)驗(yàn)完畢后講結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)，并用origin7.0處理（6）將NaOH溶液換成40.0mL的硫酸和醋酸，分別進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)。7 數(shù)據(jù)記錄與分析7.1 NaOH滴定HCl 利用氫氧化鈉滴定鹽酸，電導(dǎo)率的變化如圖3所示。滴定前，鹽酸完全電離，溶液中存在H+和Cl-，加入氫氧化鈉滴定過程中，發(fā)生下列反應(yīng)：NaOH + HCl = NaCl + H2O此時(shí)可看作Na+取代H+，由于H+的當(dāng)量電導(dǎo)（349.6）遠(yuǎn)大于Na+（50.1）8，溶液的電導(dǎo)率下降，如AC所示。到達(dá)滴定終點(diǎn)后，鹽酸被完全中和，繼續(xù)加入強(qiáng)電解質(zhì)氫氧化鈉，溶液的電導(dǎo)率開始上升，如BC所示。對(duì)線段AC和BC分別作線性擬合，兩

9、直線交于K點(diǎn)，即為滴定終點(diǎn)，此時(shí)所消耗的氫氧化鈉的體積約為4mL。 圖3 NaOH滴定HCl的電導(dǎo)率變化圖 7.2 NaOH滴定H2SO4利用氫氧化鈉滴定硫酸，電導(dǎo)率變化如圖4所示。圖4 NaOH滴定H2SO4的電導(dǎo)率變化圖滴定前，硫酸完全電離，H2SO4 = 2H+ + SO42-，溶液中存在H+和SO42-。加入氫氧化鈉滴定過程中，發(fā)生下列反應(yīng)：2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O 此時(shí)可看作電導(dǎo)率小的Na+取代電導(dǎo)率大的H+，溶液的電導(dǎo)率下降，如AC所示。當(dāng)硫酸被完全滴定后，繼續(xù)加入加入強(qiáng)電解質(zhì)氫氧化鈉，溶液的電導(dǎo)率開始上升，如BC所示。對(duì)AC和BC分別作線性擬合，交

10、于K點(diǎn)，即為滴定終點(diǎn)，此時(shí)消耗的氫氧化鈉溶液約為4mL。7.3 NaOH滴定HAc利用氫氧化鈉滴定醋酸，電導(dǎo)率變化如圖5所示。 圖5 NaOH滴定HAc的電導(dǎo)率變化圖 滴定前，醋酸發(fā)生部分電離，HAc H+ + Ac- ，由于本實(shí)驗(yàn)所用的醋酸的濃度為0.05mol/L，因此溶液的起始電導(dǎo)率接近0。加入氫氧化鈉開始滴定，發(fā)生以下反應(yīng)：NaOH + HAc = NaAc + H2O生成的NaAc為強(qiáng)電解質(zhì)，可完全電離，同時(shí)，氫氧化鈉的加入也促進(jìn)了醋酸的電離，溶液的離子濃度增大，電導(dǎo)率上升，如AC所示。當(dāng)醋酸完全中和后，繼續(xù)加入強(qiáng)電解質(zhì)氫氧化鈉，電導(dǎo)率發(fā)生突變，其上升幅度加大，如BC所示。對(duì)AC和B

11、C分別作線性擬合，兩直線交于K點(diǎn)，即為滴定終點(diǎn)，此時(shí)消耗的氫氧化鈉為4.0mL。8 結(jié)果與討論本研究設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用氫氧化鈉分別滴定一元酸鹽酸、二元酸硫酸和弱酸醋酸，滴定過程的電導(dǎo)率變化如圖6所示。圖6 NaOH滴定三組溶液的電導(dǎo)率變化圖HCl和H2SO4在滴定前完全電離，滴入NaOH后生成難電離物質(zhì)水，電導(dǎo)率下降，溶液中的H+完全中和形成水時(shí)，電導(dǎo)率最低，繼續(xù)滴加NaOH，體系中的強(qiáng)電解質(zhì)增加，電導(dǎo)率上升。而HAc在滴定前部分電離，滴入NaOH后生成強(qiáng)電解質(zhì)NaAc，電導(dǎo)率隨滴定增加，完全中和后繼續(xù)滴加NaOH，一方面體系中強(qiáng)電解質(zhì)增加，另一方面OH-也抑制了NaAc的水解，電導(dǎo)率迅速上

12、升，斜率大于HCl和H2SO4的圖像。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)不但應(yīng)用手持技術(shù)簡化了實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用曲線直觀地呈現(xiàn)出結(jié)果，讓學(xué)生更加了解滴定過程中的電導(dǎo)率變化及強(qiáng)弱電解質(zhì)電離的區(qū)別。參考文獻(xiàn)1 錢揚(yáng)義. 手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)M. 北京: 科學(xué)出版社, 2006: 198-2112 錢揚(yáng)義. 手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)M. 北京: 科學(xué)出版社, 2006: 211-2193 錢揚(yáng)義. 手持技術(shù)在研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用及其心理學(xué)基礎(chǔ)M. 北京: 科學(xué)出版社, 2006: 219-2234 苑嗣純, 葛興, 羅倩. 濃度對(duì)電導(dǎo)滴定的影響J. 大學(xué)化學(xué), 2007, 22(

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14、angyi(School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou, 510006)Abstract Students generally have difficulties in solving problems about conductivity during acid-base titration. The research designs three experiments using NaOH to titrate HCl, H2SO4 and CH3COOH respectively. Phenomenon