摘要：碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的測定有多種方法，其中滴定法的誤差較小。為了進(jìn)一步縮小誤差，簡化滴定過程，提高滴定過程中的精que度，在實(shí)驗(yàn)中引入智能壓力變送器，詳細(xì)介紹在實(shí)驗(yàn)過程中使用壓力變送器的方法。#后分析此實(shí)驗(yàn)引入壓力變送器的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

1實(shí)驗(yàn)背景

    碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的測定的相關(guān)內(nèi)容位于上海科學(xué)技術(shù)出版社出版的高三《化學(xué)拓展型課程（試用本）》“定量實(shí)驗(yàn)”一節(jié)[1]。在書中介紹的課堂實(shí)驗(yàn)是“測定含有少量氯化鈉的碳酸鈉的含量”，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)則是“測定含有氯化鈉雜質(zhì)的碳酸氫鈉的含量”。測定碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物含量的實(shí)驗(yàn)雖然在教材中沒有直接體現(xiàn)，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以作為上述二者實(shí)驗(yàn)練習(xí)的一種延伸，幫助學(xué)生強(qiáng)化學(xué)習(xí)三種混合物的定量測定方法——滴定法、沉淀法和熱重法。其中滴定法操作簡單，耗時(shí)較短，且在相同條件下相比于其他方法，誤差較小。因此，選擇滴定法測定混合堿的含量#為合理。

    然而傳統(tǒng)滴定法中也存在一些缺陷，如學(xué)生操作不熟練、不規(guī)范，對滴定管讀數(shù)、指示劑顏色判斷會(huì)有偏差，對滴定管液體“懸而不落”的現(xiàn)象不進(jìn)行校正。這些偏常操作都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，避免讀數(shù)帶來的誤差，是迫切需要解決的問題。本文介紹如何使用智能壓力變送器和數(shù)字采集器對滴定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和改造。

2實(shí)驗(yàn)原理

    數(shù)字實(shí)驗(yàn)的基本組成部分在本實(shí)驗(yàn)中將使用各類壓力變送器組成一套簡單的數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，各種功能不同的智能壓力變送器會(huì)收集到實(shí)驗(yàn)儀器中各項(xiàng)指標(biāo)的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中，采集器將收集、歸納數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為直觀圖像呈現(xiàn)在屏幕上。根據(jù)功能不同，壓力變送器有許多類型，如氧氣壓力變送器、電導(dǎo)率壓力變送器、pH壓力變送器、滴數(shù)壓力變送器等，這些壓力變送器在測定實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各個(gè)變量的變化時(shí)起到關(guān)鍵性作用。在本實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用到滴數(shù)壓力變送器和 pH 壓力變送器，數(shù)據(jù)采集器會(huì)采集實(shí)驗(yàn)過程中二者收集到的數(shù)據(jù)，并繪制成一張曲線圖。

 

    本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理 在碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液中滴加硫酸至反應(yīng)完全后，計(jì)算硫酸消耗的體積，通過一元二次方程組進(jìn)行求解，即可得出碳酸鈉與碳酸氫鈉混合物的含量。在碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液中滴加稀硫酸，先發(fā)生的離子反應(yīng)是：

    即地衣階段，溶液的 pH 值會(huì)緩慢下降，至地衣化學(xué)計(jì)量點(diǎn) pH=8.3，此時(shí)溶液中全部為碳酸氫鈉。繼續(xù)加入硫酸，發(fā)生的離子反應(yīng)為：

 

    此時(shí)溶液的 pH 迅速下降，理論上在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，溶液中只存在硫酸鈉，二氧化碳會(huì)逸出，溶液呈中性，pH=7 為滴定終點(diǎn)。但實(shí)際上二氧化碳會(huì)溶解在溶液中，導(dǎo)致溶液提前呈酸性，若將此時(shí)定為滴定終點(diǎn)，可能有一部分碳酸氫鈉沒有反應(yīng)完，溶液中形成（NaHCO3—H2CO3）二元體系，使溶液可能呈中性。因此，此時(shí)需要繼續(xù)滴加稀硫酸。

    隨著稀硫酸的不斷加入，溶液的 pH 先呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，在第二化學(xué)計(jì)量點(diǎn) pH=3.89 時(shí)，再一次迅速下降，二氧化碳逸出。這是因?yàn)殡S著溶液酸性的增強(qiáng)：

 

    ②式的平衡不斷逆向移動(dòng)，使 c（H2CO3）增大，導(dǎo)致①式也逆向移動(dòng)，二氧化碳逸出，達(dá)到滴定的終點(diǎn)。在實(shí)際操作中，也觀察到溶液呈酸性時(shí)，產(chǎn)生氣泡的速率明顯加快。

    綜上所述，在本實(shí)驗(yàn)中借助 pH 壓力變送器和滴數(shù)壓力變送器，當(dāng) pH 壓力變送器測定溶液的 pH 為 3.89 及以下時(shí)，停止滴定，讀取滴數(shù)壓力變送器測量得到的溶液體積，即可對混合物含量進(jìn)行測定，計(jì)算方法如下。

    設(shè)混合物中碳酸鈉為 xmol，碳酸氫鈉為 ymol。根據(jù)反

應(yīng)方程式：

    其中，m總為混合物的總質(zhì)量，n總為消耗稀硫酸的總體積。n 總 =c（稀硫酸）×V（滴數(shù)壓力變送器讀取體積）× 稀釋放大倍數(shù)

    本實(shí)驗(yàn)中配制了 250 mL 的混合堿溶液，取出 10 mL，稀釋至 100 mL 進(jìn)行滴定，因此放大倍數(shù)為 25。進(jìn)一步解得 x，即可計(jì)算碳酸鈉的質(zhì)量，從而得出碳酸鈉在混合堿中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

 

3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

    配制溶液階段需要的實(shí)驗(yàn)儀器：250 mL 容量瓶 2 個(gè)，燒杯 2 個(gè)，玻璃棒 2 根，膠頭滴管 2 個(gè)，10 mL 量筒 1 個(gè)，電子天平，蒸餾水洗瓶。

    滴定階段需要的實(shí)驗(yàn)儀器：數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)壓力變送器、pH 壓力變送器、500 mL 燒杯（反應(yīng)容器）、250 mL 燒杯（調(diào)試用）、洗瓶、磁力攪拌站、10.00 mL 移液管（2 支）、洗耳球。其中，數(shù)據(jù)采集器、滴數(shù)壓力變送器、pH 壓力變送器、磁力攪拌站均為 Vernier 公司生產(chǎn)，數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為 LabQuest?

2-LE，滴數(shù)壓力變送器型號(hào)為 VDC-BTD，pH 壓力變送器型號(hào)為 FPH-BTA。

    實(shí)驗(yàn)試劑：碳酸鈉固體（AR）、碳酸氫鈉固體（AR）、濃硫酸、蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1 所示。

 

4實(shí)驗(yàn)步驟

    實(shí)驗(yàn)溶液的配制

    1）0.5mol/L稀硫酸的配制。量取6.7mL濃硫酸注入水中，待冷卻至室溫后，轉(zhuǎn)移至250mL溶液瓶中；并洗滌燒杯和玻璃棒3～4次，將洗滌液也注入容量瓶中，定容至250mL，搖勻，貼好標(biāo)簽備用。

    2）稱取混合堿的總質(zhì)量，記錄m總。

    3）混合堿溶于水中，不斷攪拌，至完全溶解后，轉(zhuǎn)移至250mL容量瓶中；并洗滌燒杯和玻璃棒3～4次，將洗滌液也注入容量瓶中，定容至250mL，搖勻，貼好標(biāo)簽備用。

    4）用配制好的稀硫酸對塑料滴定管（滴數(shù)壓力變送器附件）進(jìn)行潤洗。用配制好的混合堿對移液管進(jìn)行潤洗。

    滴定過程

    1）稀硫酸的標(biāo)定。取配制好的稀硫酸溶液10mL，加入2～3滴甲基橙，用標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈉溶液進(jìn)行標(biāo)定。

    2）滴數(shù)壓力變送器的校正。根據(jù)數(shù)據(jù)采集器預(yù)設(shè)的操作步驟，校正滴數(shù)壓力變送器每滴滴出液體的體積，在本實(shí)驗(yàn)中校正值為23.10滴/毫升。具體操作：用10.00mL移液管向塑料滴定管中注入10.00mL標(biāo)定好的硫酸溶液，打開數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)界面，逐滴放完10.00mL溶液，采集器會(huì)自動(dòng)記錄滴數(shù)；輸入準(zhǔn)確的溶液體積值之后，采集器會(huì)自動(dòng)計(jì)算每毫升溶液的滴數(shù)，即完成校準(zhǔn)過程。

    3）pH壓力變送器的校正。用pH=4.00的緩沖溶液對pH壓力變送器進(jìn)行校正，并使用蒸餾水對pH壓力變送器進(jìn)行歸零；用濾紙擦干表面溶液后，放置待用。

    4）滴定過程。用配制完成的混合堿溶液對移液管進(jìn)行潤洗，然后用移液管吸取10.00mL混合堿溶液，加水稀釋至100mL左右。本實(shí)驗(yàn)中加水稀釋量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響，加水的量根據(jù)磁力攪拌子和pH壓力變送器的位置來定，以磁力攪拌子不會(huì)撞擊到pH壓力變送器且能形成小的渦流為宜。

    用稀硫酸潤洗塑料滴定管并注入一定量的硫酸，由于滴數(shù)壓力變送器可以直接記錄消耗溶液的體積，因此無須記錄初讀數(shù)和末讀數(shù)。緩慢打開塑料滴定管的活塞，使硫酸逐滴滴下，檢查滴數(shù)壓力變送器是否正常工作。

    將稀釋后的混合液放在磁力攪拌站上，打開調(diào)速器至7檔左右，然后按下數(shù)據(jù)采集器的“開始采集”按鈕；緩慢旋開塑料滴定管的活塞，目測使稀硫酸下落的速率基本為1滴/秒。觀察數(shù)據(jù)采集器采集的體積-pH變化圖。

    待溶液pH下降至3.89及以下時(shí)，關(guān)閉活塞，按下“停止采集”按鈕。讀取數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)，選擇溶液pH接近3.89的體積值。在實(shí)際操作中，取數(shù)原則為向下取，即選擇pH值≤3.89時(shí)的體積數(shù)據(jù)，記錄在數(shù)據(jù)表中。

    平行實(shí)驗(yàn)三次，取平均值，進(jìn)行計(jì)算。若某一次的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏常，則需要在數(shù)據(jù)采集器上按“放棄記錄”，以刪除偏常數(shù)據(jù)。

    5數(shù)據(jù)記錄和處理在本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)記錄和圖像的生成都由數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)完成，表1為某一次實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)表。

 

    當(dāng)有液體經(jīng)過滴數(shù)壓力變送器的紅外感應(yīng)門后，壓力變送器就會(huì)記錄一次pH和體積的數(shù)據(jù)，并在圖像上繪制一個(gè)點(diǎn)。圖2是某次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，所有數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖，其中縱坐標(biāo)為pH值，橫坐標(biāo)為體積。在選擇數(shù)據(jù)時(shí)，選擇（3.85，6.821）的點(diǎn)，即pH=3.85，此時(shí)消耗硫酸6.821mL，即V（滴數(shù)壓力變送器讀取體積）=6.821mL。根據(jù)圖像的變化，證明本文中實(shí)驗(yàn)原理的解釋是正確的。

 

6注意事項(xiàng)

    滴數(shù)壓力變送器使用注意事項(xiàng)

    使用滴數(shù)壓力變送器之前，一定要進(jìn)行體積的校準(zhǔn)，否則會(huì)帶來較大的誤差。稀硫酸的滴速一定要慢，保證滴數(shù)壓力變送器能逐滴感應(yīng)到每一滴液體的滴落，使溶液體積更準(zhǔn)確。由于本實(shí)驗(yàn)不存在等待指示劑30s不褪色的情況，因此，滴速慢可以保證反應(yīng)的充分進(jìn)行，且更容易捕捉到滴定突躍時(shí)溶液pH值接近3.89的數(shù)據(jù)點(diǎn)；若滴落速度過快，則會(huì)導(dǎo)致滴定突躍時(shí)pH值劇烈變化，難以捕捉終點(diǎn)。觀察每一組之間消耗硫酸的體積，若體積讀數(shù)偏差太大，則舍棄數(shù)據(jù)。

    pH壓力變送器使用注意事項(xiàng)若pH壓力變送器記錄的pH值發(fā)生波動(dòng)，在圖像上呈現(xiàn)“鋸齒狀”時(shí)，暫停滴定，待pH值穩(wěn)定后滴定。

    不可將pH壓力變送器做玻璃棒攪拌使用，pH壓力變送器每次轉(zhuǎn)移前都要用濾紙擦干表面的溶液，防止形成誤差。

   實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)磁力攪拌的速度不可過大，否則會(huì)導(dǎo)致溶液飛濺，黏附在燒杯壁上。在滴定過程中也需要不斷用蒸餾水將燒杯壁上的液滴沖入溶液中。

    一定要先按“開始采集”，再進(jìn)行滴定，否則滴入的液滴不會(huì)被采集到，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

 

7本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)與意義

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

    1）相比傳統(tǒng)滴定法，在滴定讀數(shù)和終點(diǎn)判斷上更精準(zhǔn)。傳統(tǒng)滴定法的精準(zhǔn)體現(xiàn)在兩處：地衣處是在終點(diǎn)時(shí)對指示劑顏色進(jìn)行判定；第二處是讀取滴定管的初讀數(shù)和末讀數(shù)。由于滴定時(shí)只使用了少量溶液，一旦出現(xiàn)誤差，呈現(xiàn)在結(jié)果中將被放大很多倍。減小誤差的方法是反復(fù)練習(xí)，熟悉操作，減少在操作和讀數(shù)上帶來的誤差。但是由于高二學(xué)生剛接觸滴定實(shí)驗(yàn)，無法像化學(xué)教師一樣熟練進(jìn)行，難免會(huì)出現(xiàn)滴定過量，指示劑顏色判斷不準(zhǔn)確的情況。因此，引入數(shù)字實(shí)驗(yàn)的好處在于可以消除由學(xué)生操作不熟練帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)者可以直接通過壓力變送器傳輸?shù)讲杉�器的�?shù)據(jù)進(jìn)行摘錄和分析。因此，對壓力變送器的校正是非常重要的，只有壓力變送器校正后，才能減小誤差。

    與此同時(shí)，滴數(shù)壓力變送器可以保留三位小數(shù)，讀數(shù)上比滴定管更加準(zhǔn)確。pH壓力變送器的讀數(shù)可以保留兩位小數(shù)，且有具體數(shù)值，相比酸堿指示劑沒有滯后性。

    2）滴定過程更加輕松，實(shí)驗(yàn)時(shí)間更短。傳統(tǒng)滴定法操作過程要求實(shí)驗(yàn)者必須全神貫注，手眼聯(lián)動(dòng)，眼睛注視錐形瓶顏色變化，手部轉(zhuǎn)動(dòng)錐形瓶和控制滴定管的活塞。實(shí)驗(yàn)者一旦分心，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差。運(yùn)用數(shù)字化壓力變送器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化，滴定和體積的讀取由滴數(shù)壓力變送器完成，全程數(shù)據(jù)記錄，即便滴定過量也無須重新實(shí)驗(yàn)。因此，實(shí)驗(yàn)者無須全程保持緊張，有助于降低實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)誤操作的概率。

 

本實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)

    1）降低了學(xué)生的操作體驗(yàn)。正如上文所述，滴定過程由各式儀器自動(dòng)化完成，降低了學(xué)生對滴定的操作體驗(yàn)，不利于學(xué)生對滴定過程的理解。

    2）弱化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察能力。由于滴定終點(diǎn)是依靠pH壓力變送器讀數(shù)來判斷的，因此不需要學(xué)生通過觀察指示劑的顏色變化來判斷終點(diǎn)。這樣一來，雖然操作變得簡單，但不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察能力。

    3）壓力變送器存在不穩(wěn)定性。壓力變送器在每次實(shí)驗(yàn)前都需要進(jìn)行調(diào)試，否則會(huì)導(dǎo)致每一組平行實(shí)驗(yàn)的誤差很大，在無形中使實(shí)驗(yàn)變得煩瑣。另外，壓力變送器可能在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)故障與問題，這是實(shí)驗(yàn)者無法預(yù)估的。因此，若要使數(shù)字實(shí)驗(yàn)變得更加成熟和穩(wěn)定，需要不斷對壓力變送器進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)要注意在平時(shí)對壓力變送器進(jìn)行維護(hù)。

    本實(shí)驗(yàn)的意義

    化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的靈魂，對實(shí)驗(yàn)不斷進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化、簡化，是化學(xué)學(xué)習(xí)者和化學(xué)教學(xué)者不斷追求的目標(biāo)。讓經(jīng)典實(shí)驗(yàn)煥發(fā)生機(jī)，需要結(jié)合時(shí)下的新科技和新技術(shù)來進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)就是利用時(shí)下熱門的壓力變送器技術(shù)對傳統(tǒng)的滴定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。本次改進(jìn)遵循的一大原則就是“基于課本，高于課本”，即完全保留了滴定實(shí)驗(yàn)的所有因素，對實(shí)驗(yàn)的核心問題進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化——提高滴定過程中讀數(shù)的準(zhǔn)確度。

    通過這次改進(jìn)，也讓學(xué)生體會(huì)到定量實(shí)驗(yàn)中“準(zhǔn)確”二字的重要性。如在若干次平行實(shí)驗(yàn)中，雖然體積的讀數(shù)僅相差0.1mL甚至0.05mL，但是由于在#后的計(jì)算中需要放大25倍，因此出現(xiàn)“差之毫厘，謬以千里”的現(xiàn)象。通過本次實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，希望有越來越多的學(xué)生和化學(xué)教師體會(huì)到智能壓力變送器的方便之處，也希望越來越多的人嘗試使用智能壓力變送器對化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，從而不斷提高教學(xué)質(zhì)量。■