實驗三運用pH傳感器研究鹽酸與碳酸鈉碳酸氫鈉的反應(yīng)

1、運用pH傳感器研究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉的反應(yīng)實驗?zāi)康? 學(xué)習(xí)使用pH傳感器。 2 運用pH傳感器測定溶液pH變化，更好的研究和認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)。實驗原理Na2CO3溶液與鹽酸的反應(yīng)過程分為兩個階段，CO32- +H+ =HCO3- （1）HCO3-+ H+= H2O+CO2 （2）其中第二階段正是NaHCO3溶液與鹽酸的反應(yīng)。因此Na2CO3溶液與鹽酸反應(yīng)過程pH的變化也應(yīng)該分為兩個階段，其中第二階段與NaHCO3溶液與鹽酸反應(yīng)的pH的變化相吻合。儀器與藥品數(shù)據(jù)采集器（VENIER LabPro），計算機及其相配套的軟件，pH傳感器，滴管，磁力攪拌器，壓強傳感器，燒杯（100mL），鐵架臺，大試

2、管，鹽酸（2mol/L）Na2CO3，NaHCO3，蒸餾水實驗步驟（1）組裝實驗裝置，將pH傳感器、滴管、數(shù)據(jù)采集器與計算機三者相連接，雙擊“Logger Lite 1.5”軟件，在“實驗”中選擇“數(shù)據(jù)采集”，模式選擇“事件配記錄”，欄名稱“鹽酸體積”，單位“mL”。（2）稱取2g Na2CO3固體放入100mL小燒杯，加入40mL蒸餾水，打開磁力攪拌器，待Na2CO3固體完全溶解。用滴管逐滴滴入鹽酸并開始采集數(shù)據(jù)。每滴加1 mL采集一次數(shù)據(jù)。當(dāng)pH不再隨鹽酸的加入而有顯著變化時停止采集數(shù)據(jù)。（3）重復(fù)步驟測定向2gNaHCO3固體和40mL蒸餾水配成的NaHCO3溶液中滴加鹽酸時pH的變化曲

3、線。（若分別取1g碳酸鈉和碳酸氫鈉，上述反應(yīng)可在更短時間內(nèi)完成）實驗結(jié)果與分析 從實驗所得下圖中，可明顯看到碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)有兩個pH突躍，而碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)只有一個pH突躍。 圖1向Na2CO3溶液滴加鹽酸時pH的變化曲線圖2向NaHCO3溶液中滴加鹽酸時pH的變化曲線拓展閱讀以下是用滴數(shù)計數(shù)器和pH傳感器作出的上述反應(yīng)更為精致的實驗圖像。（1）圖1為向Na2CO3溶液中滴加鹽酸時pH的變化曲線。圖1 向Na2CO3溶液滴加鹽酸時pH的變化曲線由上圖可以看出，該濃度下的Na2CO3溶液呈現(xiàn)較強的堿性（pH接近12）。滴入鹽酸后，pH稍有下降，繼續(xù)滴入鹽酸，pH變化趨于平緩，出現(xiàn)第一個平臺，

4、直至pH達(dá)到9（第一個平臺結(jié)束）以后又有明顯下降，此時伴隨極少量氣泡產(chǎn)生。隨著鹽酸的持續(xù)滴入，pH降到約7.5時變化再次趨于平緩，出現(xiàn)第二個平臺，且此階段有大量氣泡產(chǎn)生。待pH緩慢下降到6左右（第二個平臺結(jié)束），溶液內(nèi)幾乎無氣泡產(chǎn)生，pH下降速度明顯加快。待反應(yīng)溶液呈現(xiàn)強酸性時，隨著鹽酸的滴加，pH基本沒有明顯變化。另外，通過觀察，第一個平臺和第二個平臺消耗的鹽酸體積基本相同，都約為9mL。這說明兩個階段消耗的氫離子的量是相等的。（2）圖2為向NaHCO3溶液中滴加鹽酸時pH的變化曲線。 圖2 向NaHCO3溶液中滴加鹽酸時pH的變化曲線由上圖可知，該濃度下的NaHCO3溶液呈現(xiàn)極弱的堿性（p

5、H約為8.4）。滴入鹽酸溶液后，溶液立即有氣泡產(chǎn)生，pH稍有下降并逐漸趨于平緩，出現(xiàn)平臺。隨著鹽酸的持續(xù)滴入，溶液中有大量氣泡產(chǎn)生。待pH緩慢下降到6左右（平臺結(jié)束），溶液內(nèi)幾乎無氣泡產(chǎn)生，pH下降速度明顯加快。待反應(yīng)溶液呈現(xiàn)強酸性時，隨著鹽酸溶液的滴加，pH基本沒有明顯變化。平臺消耗的鹽酸體積約為11mL。對上述實驗現(xiàn)象，可進(jìn)行如下理論計算與分析。2g Na2CO3固體溶于40mL蒸餾水，形成的Na2CO3溶液的物質(zhì)的量濃度約為0.47mol/L，且H2CO3的K1=4.3×10-7，K2=4.8×10-113。Na2CO3溶液中，由于CO32-的水解而使溶液顯堿性。以0

6、.47mol/L的Na2CO3溶液為研究對象，則：CO32- + H+ HCO3-=0.21×10-3CO32- + H2O HCO3-+OH-0.1-x x xx=1.01×10-2x值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10-7，可以忽略水的電離，而且以上水解抑制了HCO3-繼續(xù)水解，故可認(rèn)為HCO3-的濃度為1.01×10-2mol/L。從而求得0.47mol/L Na2CO3溶液的pH=12。實驗測得該濃度下Na2CO3溶液的pH=11.93，與理論計算值基本吻合。由于HCO3-既能發(fā)生水解，又能發(fā)生電離，對其溶液pH的計算較為復(fù)雜。現(xiàn)在公認(rèn)的NaHCO3溶液的pH的計算與其濃度無關(guān)

7、。其pH值為8.31。3實驗測得NaHCO3溶液的pH=8.37，與理論計算值基本吻合。而酚酞的變色范圍是pH值為4，NaHCO3溶液的酸度恰好剛剛落在酚酞試劑的變色范圍內(nèi)，使得無色酚酞試劑遇NaHCO3溶液開始變紅，但變化不明顯。通過上述兩個實驗圖像及實時顯示的pH值，學(xué)生很輕松的可以得到Na2CO3溶液、NaHCO3溶液的pH值，兩者堿性強弱顯而易見。而且Na2CO3溶液與鹽酸的反應(yīng)過程明顯分為兩個階段，其中第二階段正是NaHCO3溶液與鹽酸的反應(yīng)，在圖像上這兩個過程應(yīng)該是重合的，實際實驗現(xiàn)象是不是這樣呢？為了對比明顯、便于分析，可把圖3、圖4兩條pH變化曲線放到一個圖表中，如圖3所示。需

8、要說明的是，需要對NaHCO3與鹽酸反應(yīng)的曲線在坐標(biāo)軸中進(jìn)行平移。圖3 等質(zhì)量的Na2CO3、NaHCO3與鹽酸反應(yīng)pH變化對比圖很明顯，Na2CO3與鹽酸反應(yīng)的第二階段與NaHCO3與鹽酸反應(yīng)的過程是基本重合的。這也驗證了Na2CO3與鹽酸反應(yīng)階段性的觀點。美中不足的是兩者起點不同（如圖中圓圈表示），這說明兩者消耗鹽酸的體積不同。對于這點差異，我們可以通過計算加以說明。此次實驗稱取的Na2CO3、NaHCO3質(zhì)量相同，均為2g，根據(jù)化學(xué)方程式計算，把2g Na2CO3滴定至NaHCO3，再滴定至H2CO3，兩個階段消耗鹽酸的量是相等的，均各需消耗2mol/L的鹽酸約9.4mL；把2g NaH

9、CO3滴定至H2CO3，需消耗2mol/L的鹽酸約11.9mL，同階段兩者消耗鹽酸體積相差2.5mL，與實驗結(jié)果基本一致。也就是說，由于Na2CO3、NaHCO3的摩爾質(zhì)量不同，等質(zhì)量的Na2CO3、NaHCO3，后者的物質(zhì)的量比前者大，消耗鹽酸自然多。既然差異是由反應(yīng)物的物質(zhì)的量不同引起的，那么，取等物質(zhì)的量的Na2CO3和NaHCO3做對比實驗，會不會消除差異呢？取等物質(zhì)的量的 Na2CO3和NaHCO3進(jìn)行了實驗，結(jié)果如圖4所示。圖4等物質(zhì)的量的Na2CO3、NaHCO3與鹽酸反應(yīng)pH變化對比圖很明顯，Na2CO3與鹽酸反應(yīng)的第二階段與NaHCO3與鹽酸反應(yīng)的過程是一致的，說明在向Na2

10、CO3溶液中滴加鹽酸時，反應(yīng)確實是分階段的，Na2CO3先與等物質(zhì)的量的鹽酸反應(yīng)生成等物質(zhì)的量的NaHCO3和NaCl，然后NaHCO3與鹽酸反應(yīng)生成NaCl、H2O和CO2。運用手持技術(shù)實時呈現(xiàn)的圖像，學(xué)生可以直觀的看到Na2CO3與鹽酸反應(yīng)分為兩個階段，結(jié)合NaHCO3與鹽酸的反應(yīng)過程跟Na2CO3與鹽酸反應(yīng)的第二個階段重合的事實，學(xué)生能更容易接受和理解CO32-與H+反應(yīng)的具體過程，即CO32- +H+ =HCO3-，HCO3-+ H+= H2O+CO2。思考與討論綜上所述，可以得到以下結(jié)論：1、Na2CO3的堿性比NaHCO3強，Na2CO3水解呈現(xiàn)較強的堿性，NaHCO3水解呈現(xiàn)極弱的堿性；2、CO32-與H+反應(yīng)過程分為兩個階段，即CO32- +H+ =HCO3-；HCO3-+ H+= H2O+CO2。 3、物質(zhì)的量是聯(lián)系微觀粒子和宏觀物質(zhì)的紐帶，在培養(yǎng)學(xué)生利用宏觀現(xiàn)象分析微觀過程的思維活動中，以等物質(zhì)的量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置對比實驗更為科學(xué)。參考文獻(xiàn)：1 江敏.在實驗中展現(xiàn)化學(xué)的魅力宏觀中