利用pH传感器研究中和反应过程中pH的突变

利用ｐＨ传感器研究中和反应过程中ｐＨ的突变

摘要 利用pH传感器的实时检测功能，并借助数据采集器和计算机直接生成数据曲线，便可以便捷、直观地反映中和反应过程中pH的变化，帮助学生认识“突变”的存在，加深理解酸碱中和滴定方法的原理。pH变化曲线可用来研究弱酸、弱碱、多元弱酸盐等参与的反应，还可对其进行数学建模以及进行相关讨论。

关键词 pH传感器 pH变化曲线 酸碱中和滴定

1 问题的提出

滴定分析法是化学分析法的基本内容之一，滴定分析简便、快捷、具有足够的准确度，在生产实践和科学实验中具有很大的实用价值。酸碱中和滴定作为一种重要的滴定分析法，由于该方法所涉及原理、药品、操作都相对简单，使其成为中学阶段介绍的惟一的滴定分析法，同时也是中学化学为数不多的定量实验之一，具有重要的方法教育的作用。

pH的突变是酸碱中和滴定过程的重要特点，对于选择合适的酸碱指示剂以及该分析方法的准确性具有重要意义。教材[1]中并不要求学生认识突变的存在，因此未展示滴定曲线，仅通过语言进行描述。但学生并不易理解教材中讲述的“用盐酸滴定NaOH溶液时，从表面看，似乎没有变化，但实质上，在滴定过程中，溶液的pH发生了很大的变化”，更难理解为何指示剂的变色点不在pH＝7处，却可以用来指示反应的化学计量点。因此教师在教学环节常常会引申介绍pH突变的存在，但这一内容的教学又会成为学生理解的一个难点。

供理科倾向学生使用的新课标《化学反应原理》选修教材[2]将“实验测定酸碱反应曲线”设计为实践活动，由学生亲自动手绘制酸碱中和反应曲线，进而深入的认识酸碱滴定法的原理。通过实验的方法绘制酸碱中和反应曲线，同样也是《普通高中化学课程标准（实验）》[3]提出的新要求，在“化学反应原理”和“实验化学”2个模块中都得到体现。

绘制中和反应曲线的常规方法[4]是用pH计检测溶液的pH，记录消耗的酸或碱的体积和相应的pH，再描点作图得到，实验过程相对复杂。我们如果利用传感技术实时采集、图形显示的突出特点，利用pH传感器监测在滴定过程中溶液pH的变化情况，并借助计算机以图像形式显示出来，直接可得到中和反应曲线，方便、快捷地展示滴定过程中pH的变化；另外，如果使用摄像头录制实验现象，并在计算机的同一个窗口中显示出来，便可以将pH的突变与指示剂变色的实验现象有机整合起来。这可帮助学生体验突变的存在，加深对酸碱滴定法原

理的理解。

2 实验过程

2.1 试剂与仪器

0.1 mol/L盐酸、0.1 mol/L NaOH溶液、酚酞溶液、蒸馏水；pH传感器、pH适配器、“探世界”数据采集器、计算机、磁力搅拌器（磁子）、烧杯、酸式滴定管、碱式滴定管。

2.2 实验步骤

（1）按图1组装实验装置。将pH传感器通过pH适配器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。

（2）设置数据采集器：采集速率设为每秒1次，采集时间选择“持续”。

（3）量取10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，倒入100 mL烧杯中，用蒸馏水稀释至没过pH传感器的玻璃泡。向烧杯中放入磁子并滴加2滴酚酞溶液。

（4）启动磁力搅拌器，开始数据采集。待测得的数据稳定后，打开酸式滴定管的活塞，向NaOH溶液中匀速滴加0.1 mol/L盐酸。注意观察实验现象以及测得的混合溶液的pH变化情况。

（5）待烧杯中的溶液变成无色以后，再继续滴加盐酸至pH变化不再显著

为止，停止数据采集。保存实验结果。

3 结果分析与讨论

通过pH传感器实时检测滴定过程中溶液的pH，并由计算机显示数据和曲线，即可直观地反映出中和反应过程中pH的变化情况。

3.1 盐酸与氢氧化钠中和反应pH的变化

强酸与强碱的反应是一类最简单的中和反应，以盐酸与氢氧化钠反应为例，中和过程中pH的变化如图2所示(图中n(HCl)/n(NaOH)为根据突变时消耗溶液的体积和浓度换算得到，以下同)。通过这条曲线可以帮助学生理解许多难点问题：（1）认识滴定过程的“突变”是客观存在的；（2）利用摄像头的拍摄功能，将实验现象和数据曲线在同一窗口中呈现，实现实验数据和现象有机结合，帮助学生认识“突变”和指示剂颜色变化的关系；（3）通过数据曲线可以发现，化学计量点附近pH变化显著，尽管滴定终点与化学计量点并不完全一致，但引起的实验误差并不大，这正是酸碱中和滴定这一分析方法的科学性和准确性得以保证的原因所在。

对于“食醋总酸量的测定[5]”、“水果总酸量的测定”这一类紧密联系生活实际的探究活动，由于待测样品多带有颜色，给滴定终点的判断带来不便，一般要对样品进行预处理，而使用pH传感器可以避免溶液颜色的影响，降低探究活动的难度。

另外，数据采集器支持多个传感器同时工作，如果同时检测溶液的温度变化和pH变化，则可以得到温度变化曲线和pH变化曲线，反应过程中的能量转换以及pH变化情况都得到体现（如图3）。

3.2 弱酸、弱碱参与的中和反应

利用同样的方法，还可以研究有弱酸、弱碱参与的中和反应，例如：（1）向醋酸中滴加NaOH溶液pH变化曲线（如图4）可以说明，强碱滴定弱酸在碱性范围突变，应该选用酚酞作为指示剂；（2）向氨水中滴加盐酸pH变化曲线（如图5）可以说明，强酸滴定弱碱在酸性范围突变，应选用甲基橙作为指示剂。

3.3 反应过程中的双突变

3.4 利用pH变化曲线进行数学建模

在微积分引入中学数学后，大大拓展了学生对数学问题的理解与认识，利用pH变化曲线进行微分变换，则可成为一个很好的构建化学问题数学建模的案例。与传感器配套的数据采集与处理软件（“探世界”综合理科实验室系统）提供了利用函数进行数据分析和处理的功能，可以直接对检测的数据进行微分或积分计算，然后对函数曲线进行分析，省去了复杂的计算过程，却突出其中的数学思想。

如果对滴定曲线求微分，得到一阶导数曲线（如图7），由导数曲线分析可得：（1）滴定过程pH数值减小，因此导数为负值；（2）在化学计量点之前，pH下降的速度加快，导数的绝对值增大；（3）在化学计量点之后，pH下降的速度减慢，导数的绝对值减小；（4）导数达到的极值点，便是化学计量点，对于突变不太明显的反应，也可以用这种方法确定化学计量点，例如盐酸滴定碳酸钠溶液pH变化曲线及其导数曲线如图8所示。

对一阶导数再次求微分，可得到二阶导数曲线，同样可以进行上述分析，这些都是微积分教学中的常规问题。利用传感器以及相关软件使得我们对化学变化的记录以及原理的揭示更加简便，也为化学问题与数学模型的整合提供了便利的条件。

4 结语

利用传感器检测中和反应过程中pH的变化，经数据采集器和计算机的处理可以直接转化为曲线呈现，大大简化了绘制中和反应曲线的实验，使学生能够更加直观地认识这一过程pH变化的趋势，可作为新课程“化学反应原理”和“实验化学”相关内容教学的替代实验。对于现行课程的课堂教学，可以演示实验的形式向学生展示，经教学实践表明，pH变化曲线的引入并非随意扩充教材深度、增加学生负担，反而能够帮助学生理解酸碱中和滴定方法的原理，是对“酸碱中和

滴定原理”这一难点问题的简化和有益的教学补充。

（感谢广州市好雨教育科技有限公司为本文提供仪器支持。）

参 考 文 献

［1］ 人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书化学（必修加选修）第二册.北京：人民教育出版社，2003：69

［2］ 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学·化学反应原理（选修4）.北京：人民教育出版社，2004：48

［3］ 中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准（实验）.北京：人民教育出版社，2003

［4］ 同［2］

［5］ 王磊.普通高中课程标准实验教科书·实验化学（选修）.济南：山东科学技术出版社，2005

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