氢氧化钠滴定一元酸、二元酸及弱酸过程中电导率变化的探究

1、氢氧化钠滴定一元酸、二元酸及弱酸过程中电导率变化的探究黄菲菲 李霞 钱扬义* 钱扬义，qianyy华南师范大学化学与环境学院 广东广州 510006)摘 要 电解质溶液的导电性与中和滴定的结合考查学生对图形及知识点的理解往往难度较大。本实验利用手持技术探究酸碱滴定过程中电导率的变化，设计了三个实验，利用氢氧化钠分别滴定一元酸盐酸、二元酸硫酸及弱酸醋酸，并用origin7.0处理数据，得到较好的结果，能明显观察到滴定终点，确定NaOH的用量，帮助学生理解强弱电解质的知识点。关键词 手持技术 电导率 酸碱滴定1 研究背景1.1 研究综述酸碱中和滴定在传统实验中多利用指示剂

2、的变色来确定滴定终点，而数字化手持技术克服了肉眼观察的误差及对指示剂选择的局限，利用pH探头对滴定过程进行记录，更加便捷、准确地判断滴定终点。如钱扬义在手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础一书中，研究了酸碱中和反应中pH的变化规律1，不同类型的酸碱中和反应pH变化规律2以及不同浓度的pH变化规律3。然而，酸碱中和反应还可以利用电导滴定4，且对于弱酸弱碱的滴定可获得满意的结果5。电导分析法在仪器分析实验的相关教材中均有介绍，缺点是通过在滴定过程中多次测量描点确定滴定终点，较为繁琐；利用手持技术测量酸碱中和反应中电导率的变化便捷，但较为少见，文献报道仅有邓峰等人利用电导率测定氢氧化钠滴定盐酸

3、、醋酸及混合酸的滴定终点6。而中学化学教学中也常涉及到酸碱滴定过程中电导率变化，主要分析的是强弱电解质的变化。强弱电解质的知识点一直是中学化学教学的重难点，08年化学高考第18题以电解质溶液的导电性为基本要素结合中和滴定考查考生对图表、文字信息的获取的能力和分析应用能力。 18电导率是衡量电解质溶液导电能力大小的物理量，根据溶液电导率变化可以确定滴定反应的终点。右图是用KOH溶液分别滴定HCl溶液和CH3COOH溶液的滴定曲线示意图。下列示意图中，能正确表示用NH3×H2O溶液滴定HCl和CH3COOH混合溶液的滴定曲线的是ABACADA该题的难度为0.2979，说明学生对强弱电解质

4、知识的应用和迁移能力较弱。1.2 实验原理电导滴定法是通过测定溶液的电导，求出反应终点的方法。当电极的大小和电极间的距离一定时，电解质溶液的电导则决定于溶液中的离子的浓度和种类。如果离子的浓度和种类发生变化，则溶液的电导也随之发生变化7。电导率传感器是测定溶液电导率的一类传感器，它通过测定流过两个固定电极之间的电流而间接测量电导率。 当溶液中发生酸碱中和化学反应时，由于生成了弱电解质H2O 和溶液离子种类的改变，溶液的电导率将会随着反应的进行而产生相应的变化，根据电导率变化曲线上的转折点可以确定对应溶液的浓度及分析强弱电解质的电离平衡过程。2 问题提出高中课程对强电解质与弱电解质的解释只是从电

5、离的程度来进行定义，学生对强弱电解质的理解仅仅停留在知识层面，一旦涉及到应用方面与电导率相结合，他们就很难理解中间的过程和变化。强碱滴定盐酸过程中的电导率变化是怎样的呢？二元酸、弱酸呢？酸碱中和滴定通常用pH来判断滴定终点，利用电导率的变化能否判断滴定终点呢？本实验利用手持技术能够直观地体现滴定过程的电导率变化，提供科学数据，并且通过对电导率变化的分析可以提高学生的读图能力和分析能力。3 猜想与假设（1）氢氧化钠滴定盐酸过程中，电导率先下降，后上升，拐点处为滴定终点；（2）氢氧化钠滴定硫酸过程中，电导率先下降，后上升，拐点处为滴定终点；（3）氢氧化钠滴定醋酸过程中，电导率持续上升，先慢后快，拐

6、点处为滴定终点。4 实验探究思路 本实验的探究思路见图1。图1 实验探究思路5仪器与药品5.1 仪器Nova5000数据采集器，电导率传感器（0-20ms），磁力搅拌器，电子天平，100mL烧杯（1个），250mL烧杯（1个），容量瓶（200mL、500mL），移液管（1mL、5mL、20mL），碱式滴定管（50mL），滴管，玻璃棒5.2 药品NaOH（分析纯），HCl（分析纯），H2SO4（分析纯），CH3COOH（分析纯）6 实验设计Nova5000图2 实验装置图6.1 实验准备：（1） 用电子天平称量4.0000g氢氧化钠，溶解，用去离子水配制200mL0.5mol/L的氢氧化钠溶液；

7、（2） 用移液管取2.15mL盐酸，配制500mL0.05mol/L盐酸溶液；（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，加去离子水至刻度，配制0.05mol/L的醋酸溶液。6.2 实验步骤：（1）洗涤、润洗碱式滴定管，装入0.5mol/L的氢氧化钠溶液（2）用移液管移取40.0mL盐酸溶液于100mL烧杯中待滴定（3）按图2组装装置，在Nova5000中设置Logger“Rate: 10 Samples per second”，“Samples: Continuous”（4）点击“Run”开始采集数据，然后进

8、行滴定（5）实验完毕后讲结果输出到计算机，并用origin7.0处理（6）将NaOH溶液换成40.0mL的硫酸和醋酸，分别进行以上实验。7 数据记录与分析7.1 NaOH滴定HCl 利用氢氧化钠滴定盐酸，电导率的变化如图3所示。滴定前，盐酸完全电离，溶液中存在H+和Cl-，加入氢氧化钠滴定过程中，发生下列反应：NaOH + HCl = NaCl + H2O此时可看作Na+取代H+，由于H+的当量电导（349.6）远大于Na+（50.1）8，溶液的电导率下降，如AC所示。到达滴定终点后，盐酸被完全中和，继续加入强电解质氢氧化钠，溶液的电导率开始上升，如BC所示。对线段AC和BC分别作线性拟合，两

9、直线交于K点，即为滴定终点，此时所消耗的氢氧化钠的体积约为4mL。 图3 NaOH滴定HCl的电导率变化图 7.2 NaOH滴定H2SO4利用氢氧化钠滴定硫酸，电导率变化如图4所示。图4 NaOH滴定H2SO4的电导率变化图滴定前，硫酸完全电离，H2SO4 = 2H+ + SO42-，溶液中存在H+和SO42-。加入氢氧化钠滴定过程中，发生下列反应：2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O 此时可看作电导率小的Na+取代电导率大的H+，溶液的电导率下降，如AC所示。当硫酸被完全滴定后，继续加入加入强电解质氢氧化钠，溶液的电导率开始上升，如BC所示。对AC和BC分别作线性拟合，交

10、于K点，即为滴定终点，此时消耗的氢氧化钠溶液约为4mL。7.3 NaOH滴定HAc利用氢氧化钠滴定醋酸，电导率变化如图5所示。 图5 NaOH滴定HAc的电导率变化图 滴定前，醋酸发生部分电离，HAc H+ + Ac- ，由于本实验所用的醋酸的浓度为0.05mol/L，因此溶液的起始电导率接近0。加入氢氧化钠开始滴定，发生以下反应：NaOH + HAc = NaAc + H2O生成的NaAc为强电解质，可完全电离，同时，氢氧化钠的加入也促进了醋酸的电离，溶液的离子浓度增大，电导率上升，如AC所示。当醋酸完全中和后，继续加入强电解质氢氧化钠，电导率发生突变，其上升幅度加大，如BC所示。对AC和B

11、C分别作线性拟合，两直线交于K点，即为滴定终点，此时消耗的氢氧化钠为4.0mL。8 结果与讨论本研究设计了三个实验，利用氢氧化钠分别滴定一元酸盐酸、二元酸硫酸和弱酸醋酸，滴定过程的电导率变化如图6所示。图6 NaOH滴定三组溶液的电导率变化图HCl和H2SO4在滴定前完全电离，滴入NaOH后生成难电离物质水，电导率下降，溶液中的H+完全中和形成水时，电导率最低，继续滴加NaOH，体系中的强电解质增加，电导率上升。而HAc在滴定前部分电离，滴入NaOH后生成强电解质NaAc，电导率随滴定增加，完全中和后继续滴加NaOH，一方面体系中强电解质增加，另一方面OH-也抑制了NaAc的水解，电导率迅速上

12、升，斜率大于HCl和H2SO4的图像。本实验设计的三个实验不但应用手持技术简化了实验，同时利用曲线直观地呈现出结果，让学生更加了解滴定过程中的电导率变化及强弱电解质电离的区别。参考文献1 钱扬义. 手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础M. 北京: 科学出版社, 2006: 198-2112 钱扬义. 手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础M. 北京: 科学出版社, 2006: 211-2193 钱扬义. 手持技术在研究性学习中的应用及其心理学基础M. 北京: 科学出版社, 2006: 219-2234 苑嗣纯, 葛兴, 罗倩. 浓度对电导滴定的影响J. 大学化学, 2007, 22(

13、5): 42-445 王彤. 仪器分析与实验M. 青岛: 青岛出版社, 2000: 1296 邓峰, 钱扬义, 林耿勉. 手持技术在酸碱滴定中的应用研究J. 教学仪器与实验, 2007, 23(1): 12-147 赤掘四郎, 木村健二郎. 仪器分析和化学分析M. 北京: 科学普及出版社, 1992: 171-1728 赤掘四郎, 木村健二郎. 仪器分析和化学分析M. 北京: 科学普及出版社, 1992: 173The Study of the Change of Conductivity during Acid-base TitrationHUANG Feifei LI Xia QIAN Y

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