实验三 运用pH传感器研究盐酸与碳酸钠、碳酸氢钠的反应

运用pH传感器研究盐酸与碳酸钠、碳酸氢钠的反应 实验目的 1 学习使用pH传感器。 2 运用pH传感器测定溶液pH变化，更好的研究和认识化学反应。 实验原理 Na2CO3溶液与盐酸的反应过程分为两个阶段， CO32- +H+ =HCO3-                          （1） HCO3-+ H+= H2O+CO2↑              （2） 其中第二阶段正是NaHCO3溶液与盐酸的反应。因此Na2CO3溶液与盐酸反应过程pH的变化也应该分为两个阶段，其中第二阶段与NaHCO3溶液与盐酸反应的pH的变化相吻合。 仪器与药品 数据采集器（VENIER LabPro），计算机及其相配套的软件，pH传感器，滴管，磁力搅拌器，压强传感器，烧杯（100mL），铁架台，大试管，盐酸（2mol/L）Na2CO3，NaHCO3，蒸馏水 实验步骤 （1）组装实验装置，将pH传感器、滴管、数据采集器与计算机三者相连接，双击“Logger Lite 1.5”软件，在“实验”中选择“数据采集”，模式选择“事件配记录”，栏名称“盐酸体积”，单位“mL”。 （2）称取2g Na2CO3固体放入100mL小烧杯，加入40mL蒸馏水，打开磁力搅拌器，待Na2CO3固体完全溶解。用滴管逐滴滴入盐酸并开始采集数据。每滴加1 mL采集一次数据。当pH不再随盐酸的加入而有显著变化时停止采集数据。 （3）重复步骤 测定向2gNaHCO3固体和40mL蒸馏水配成的NaHCO3溶液中滴加盐酸时pH的变化曲线。 （若分别取1g碳酸钠和碳酸氢钠，上述反应可在更短时间内完成） 实验结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 从实验所得下图中，可明显看到碳酸钠与盐酸反应有两个pH突跃，而碳酸氢钠与盐酸反应只有一个pH突跃。 图1向Na2CO3溶液滴加盐酸时pH的变化曲线 图2向NaHCO3溶液中滴加盐酸时pH的变化曲线 拓展阅读 以下是用滴数计数器和pH传感器作出的上述反应更为精致的实验图像。 （1）图1为向Na2CO3溶液中滴加盐酸时pH的变化曲线。 图1 向Na2CO3溶液滴加盐酸时pH的变化曲线 由上图可以看出，该浓度下的Na2CO3溶液呈现较强的碱性（pH接近12）。滴入盐酸后，pH稍有下降，继续滴入盐酸，pH变化趋于平缓，出现第一个平台，直至pH达到9（第一个平台结束）以后又有明显下降，此时伴随极少量气泡产生。随着盐酸的持续滴入，pH降到约7.5时变化再次趋于平缓，出现第二个平台，且此阶段有大量气泡产生。待pH缓慢下降到6左右（第二个平台结束），溶液内几乎无气泡产生，pH下降速度明显加快。待反应溶液呈现强酸性时，随着盐酸的滴加，pH基本没有明显变化。另外，通过观察，第一个平台和第二个平台消耗的盐酸体积基本相同，都约为9mL。这说明两个阶段消耗的氢离子的量是相等的。 （2）图2为向NaHCO3溶液中滴加盐酸时pH的变化曲线。 图2 向NaHCO3溶液中滴加盐酸时pH的变化曲线 由上图可知，该浓度下的NaHCO3溶液呈现极弱的碱性（pH约为8.4）。滴入盐酸溶液后，溶液立即有气泡产生，pH稍有下降并逐渐趋于平缓，出现平台。随着盐酸的持续滴入，溶液中有大量气泡产生。待pH缓慢下降到6左右（平台结束），溶液内几乎无气泡产生，pH下降速度明显加快。待反应溶液呈现强酸性时，随着盐酸溶液的滴加，pH基本没有明显变化。平台消耗的盐酸体积约为11mL。 对上述实验现象，可进行如下理论计算与分析。 2g Na2CO3固体溶于40mL蒸馏水，形成的Na2CO3溶液的物质的量浓度约为0.47mol/L，且H2CO3的K1=4.3×10-7，K2=4.8×10-11[3]。 Na2CO3溶液中，由于CO32-的水解而使溶液显碱性。以0.47mol/L的Na2CO3溶液为研究对象，则： CO32-  + H+    HCO3- =0.21×10-3 CO32-  + H2O   HCO3-+OH- 0.1-x              x    x x=1.01×10-2 x值远远大于10-7，可以忽略水的电离，而且以上水解抑制了HCO3-继续水解，故可认为HCO3-的浓度为1.01×10-2mol/L。从而求得0.47mol/L Na2CO3溶液的pH=12。实验测得该浓度下Na2CO3溶液的pH=11.93，与理论计算值基本吻合。 由于HCO3-既能发生水解，又能发生电离，对其溶液pH的计算较为复杂。现在公认的NaHCO3溶液的pH的计算与其浓度无关。其pH值为8.31。[3]实验测得NaHCO3溶液的pH=8.37，与理论计算值基本吻合。而酚酞的变色范围是pH值为8.2-10.0[4]，NaHCO3溶液的酸度恰好刚刚落在酚酞试剂的变色范围内，使得无色酚酞试剂遇NaHCO3溶液开始变红，但变化不明显。 通过上述两个实验图像及实时显示的pH值，学生很轻松的可以得到Na2CO3溶液、NaHCO3溶液的pH值，两者碱性强弱显而易见。而且Na2CO3溶液与盐酸的反应过程明显分为两个阶段，其中第二阶段正是NaHCO3溶液与盐酸的反应，在图像上这两个过程应该是重合的，实际实验现象是不是这样呢？ 为了对比明显、便于分析，可把图3、图4两条pH变化曲线放到一个图表中，如图3所示。需要说明的是，需要对NaHCO3与盐酸反应的曲线在坐标轴中进行平移。 图3 等质量的Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应pH变化对比图 很明显，Na2CO3与盐酸反应的第二阶段与NaHCO3与盐酸反应的过程是基本重合的。这也验证了Na2CO3与盐酸反应阶段性的观点。美中不足的是两者起点不同（如图中圆圈表示），这说明两者消耗盐酸的体积不同。 对于这点差异，我们可以通过计算加以说明。此次实验称取的Na2CO3、NaHCO3质量相同，均为2g，根据化学方程式计算，把2g Na2CO3滴定至NaHCO3，再滴定至H2CO3，两个阶段消耗盐酸的量是相等的，均各需消耗2mol/L的盐酸约9.4mL；把2g NaHCO3滴定至H2CO3，需消耗2mol/L的盐酸约11.9mL，同阶段两者消耗盐酸体积相差2.5mL，与实验结果基本一致。也就是说，由于Na2CO3、NaHCO3的摩尔质量不同，等质量的Na2CO3、NaHCO3，后者的物质的量比前者大，消耗盐酸自然多。既然差异是由反应物的物质的量不同引起的，那么，取等物质的量的Na2CO3和NaHCO3做对比实验，会不会消除差异呢？ 取等物质的量的 Na2CO3和NaHCO3进行了实验，结果如图4所示。 图4等物质的量的Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应pH变化对比图 很明显，Na2CO3与盐酸反应的第二阶段与NaHCO3与盐酸反应的过程是一致的，说明在向Na2CO3溶液中滴加盐酸时，反应确实是分阶段的，Na2CO3先与等物质的量的盐酸反应生成等物质的量的NaHCO3和NaCl，然后NaHCO3与盐酸反应生成NaCl、H2O和CO2。 运用手持技术实时呈现的图像，学生可以直观的看到Na2CO3与盐酸反应分为两个阶段，结合NaHCO3与盐酸的反应过程跟Na2CO3与盐酸反应的第二个阶段重合的事实，学生能更容易接受和理解CO32-与H+反应的具体过程，即CO32- +H+ =HCO3-，HCO3-+ H+= H2O+CO2↑。 思考与讨论 综上所述，可以得到以下结论： 1、Na2CO3的碱性比NaHCO3强，Na2CO3水解呈现较强的碱性，NaHCO3水解呈现极弱的碱性； 2、CO32-与H+反应过程分为两个阶段，即 CO32- +H+ =HCO3-；HCO3-+ H+= H2O+CO2↑。 3、物质的量是联系微观粒子和宏观物质的纽带，在培养学生利用宏观现象分析微观过程的思维活动中，以等物质的量的标准设置对比实验更为科学。 参考文献： [1] 江敏.在实验中展现化学的魅力——宏观中的微观和微观中的宏观[J].中学化学教学参考, 2011,(10). [2] 张向宇等著.实用化学手册[M].国防工业出版社.1986:719. [3] 王文林.对Na2CO3、NaHCO3与稀盐酸反应实验的认识[J].化学教学，2005，（1—2）. [4] 武汉大学等校编,曹锡章等修订.无机化学(上册) (第三版).北京:高等教育出版社,1994:372.