基于pH传感器测定食醋总酸量的实验研究

基于pH传感器测定食醋总酸量的实验研究杨承印1何颖1高双军1杨帆2（1陕西师范大学化学化工学院陕西西安710119；2得州A&M大学化学系美国得州77840）摘要利用pH传感器测定食醋与氢氧化钠中和滴定过程中溶液pH的实时变化，通过求导进而确定反应终点，无需考虑食醋本身颜色对反应终点判定的影响，是一个紧密联系科学、技术、社会与环境的典型的定量实验案例，引进该实验技术，有利于学生对定量方法的学习和科学思维的培养，促进学生认识到科学仪器的进步可以将近代经典实验转变为现代实验的事实。关键词手持技术食醋总酸量测定滴定曲线pH传感器法国化学家日夫鲁瓦(C.J.Geoffroy,1683-1753)在1729年用K2CO3测定醋酸的酸度，可以看作是近代滴定分析的先驱。1885年，德国化学家莫尔（F.Mohr,18061879）发明了用剪式夹控制流速的滴定管，滴定分析才获得广泛应用，成为近代化学分析的基本方法之一[1]。前述方法用指示剂的变色来确定滴定终点存在这样的一些问题：指示剂选取不当，会造成较大的实验误差（如标准溶液或者待测溶液滴定前固有的颜色）；不同操作者对于滴定终点指示剂变色的确定存在着一定的视觉误差。现代滴定分析的标志是仪器分析，传感技术又叫手持技术或者掌上技术，是仪器分析的成熟技术。pH传感器是化学教学中常用的一种传感器，它是通过由内外参比电极与待测溶液形成原电池，通过电位计测量这个原电池的电动势（与氢离子活度相关），经过数据转换，输出pH数据的一种装置。该种技术用于酸碱中和滴定，不受溶液颜色的干扰，可移动性强，自动化程度高，过程直观简洁，弥补了选用酚酞和甲基橙作指示剂的不足。在三个不同版本的高中化学教材中，苏教版和鲁科版都在《实验化学》中引进了“食醋中总酸量的测定”，但在实验药品的选择上都只涉及了无色食醋[2][3]。人教版《实验化学》在实验3-6中引入“食醋中总酸量的测定”，教材先使用近代经典的中和滴定方法。在实验的“问题与讨论”中说道：如果所测食醋的颜色较深且难以除去，不宜用指示剂酸碱滴定法测定，想一想可以用你所了解的哪种方法来滴定[4]？由于学生在实验3-4“酸碱滴定曲线的基金项目:来自陕西省教育科学“十二五”规划2013年立项课题，项目编号为SGH13037；得到陕西师范大学校级精品资源共享课（含教师教育资源共享课）建设基金项目资助。通信联系人,E-mail：[e-mail]测绘”中已经学习过pH计的使用，此处可以想到应用pH计。从教材编写的角度来看，人教版这种课程建构属于结构不良问题应用，值得提倡[5]。酸碱中和滴定的本质是酸中的氢离子与碱中的氢氧根离子反应生成水，从而使溶液的pH趋于中性。教学实践中我们发现学生不易理解教材中“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，以及醋酸与氢氧化钠溶液滴定过程选择酚酞作指示剂的原因等。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[6]。用pH传感器测定溶液的pH，无需考虑溶液本身颜色对滴定终点判定的影响，反应过程中只要持续测定溶液的pH系列数据，即可得到溶液pH随时间变化的曲线图，无需学生绘制且更加精确，通过相关软件处理可得到准确的pH突跃范围，即化学计量点。本实验采用相关传感器技术，通过计算机软件处理数据，改变中学阶段主要依靠直觉观察的近代科学方式，为学生提供训练科学思维的现代技术条件，让学生感受现代化学科学的过程与方法。1实验仪器与试剂GQY数字实验室教学设备(由数据采集器、pH传感器、pH复合电极、液滴计数器、光电门传感器组成，宁波奇科威数字教学设备有限公司生产）；50mL酸式滴定管；恒温定时磁力搅拌器（JB-3A型）；铁架台；100mL量筒；100mL烧杯。装置见图1。0.1000mol·L-1NaOH标准溶液；有色食醋原液（本实验所用样品为：“岐山天缘”牌食醋，质量指标：总酸度≥3.50g/100mL）；去CO2的蒸馏水；pH=4.00和pH=9.18的缓冲溶液。图1实验装置示意图2操作步骤（1）配制浓度为0.1000mol/L的NaOH溶液，备用。滴数传感器（2）校准pH复合电极。连接pH传感器与数据采集器。在pH=4.00(邻苯二甲酸氢钾)和pH=9.18（四硼酸钠)的缓冲溶液中校准pH复合电极。（3）检验校准结果。校准完成后，进入数据采集器的传感器测量界面，在pH为6.86的缓冲溶液中检测校准是否成功（数显结果稳定在6.70-7.00之间），否则需重新校准。（4）连接液滴计数器与数据采集器，将前者固定在铁架台上，并调整其相对高度与伸出长度，使液滴能透过小孔滴入下方烧杯中，又便于磁子转动。（5）向酸式滴定管中加注有色食醋20mL，将其固定在铁架台上，调整其与液滴计数器的相对位置，使后者能正常工作（每落下一滴食醋，计数器红灯闪烁一次）。（6）准确量取50.00mL标定过的NaOH溶液于烧杯中，将烧杯置于磁力搅拌器上。（7）将pH传感器插入NaOH溶液中，开启磁力搅拌器。（8）开始采集数据。（9）观察实验界面，待滴定曲线重新趋于平缓后停止实验,刷新并保存数据。（10）把实验结果输入到计算机中，用相关软件进行处理。3数据处理与分析以所收集的一组数据为例:50mL0.1000mol·L-1的NaOH标准溶液消耗的食醋原液体积由软件读取为8.80mL，代入算式：ρ(CH3COOH)=c(NaOH)×V(NaOH)×M(CH3COOH)/V(CH3COOH)=0.1000mol·L-1×0.05L×60g·mol-1/0.0088L=34.09g/L≈3.41g/100mL待测食醋原液滴定50mL0.1000mol·L-1的NaOH标准溶液实验曲线及其求导曲线见图2。图2待测食醋原液滴定NaOH标准溶液的实验曲线及其求导曲线通过pH传感器实时监测滴定过程中溶液的pH，并由计算机显示数据和曲线，即可直观地反映出待测食醋原液和0.1000mol·L-1的NaOH标准溶液中和反应过程中pH随时间的变化情况。通过这条曲线可以帮助学生理解很多难点问题：反应过程中溶液pH逐渐变小，但变化速度先慢后快再慢，最后趋于不变。这是由于最初加入的少量食醋原液电离产生的H+与NaOH电离产生的大量的OH-反应，对溶液pH变化影响不大，随着滴入食醋原液量的增多，溶液pH变化越来越快，直到突跃之后，溶液的pH变化才又逐渐变缓，认识滴定过程的“突变”是客观存在的。分析数据可以发现，通过滴数传感器计数，可以发现在滴定终点pH变化最显著，pH变化最大的两点对应消耗的食醋原液的最终的滴定体积，可以确定是哪一滴食醋原液使溶液的pH发生突跃，可以帮助学生在定性分析的基础上学习和理解定量分析。如果对滴定曲线求微分，则得到一阶导数曲线（如图2）。由导数曲线分析可得：（1）滴定过程pH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。4实验结论（1）经过计算得到待测食醋中总酸度为3.41g/100mL，与样品标牌上所标示的总酸度含量≥3.50g/100mL相比偏低，考虑到系统误差等因素，该误差在允许范围内。（2）在利用pH传感器技术测定有色食醋原液总酸度时，无需对食醋原液进行脱色处理就可以得到准确的结果，与指示剂法相比更便捷、更准确。5思考与建议利用数据采集器和pH传感器测定有色食醋原液总酸度的方法，可以改进教材中利用活性炭对有色食醋脱色的操作，经过数据采集器和计算机的处理，反应过程中pH的变化可以直接转化为滴定曲线呈现，简化了中和反应曲线的绘制过程，使操作者能够更加直观地认识这一过程中pH的变化趋势，使他们在定性检测的基础上理解定量检测，如果能和温度传感器一起使用，还能测定出中和滴定中的热效应[7][8]。中学阶段的实验多依赖直觉观察，将仪器分析中的传感技术适时应用于测定有色食醋总酸度实验中，使学生感受中和滴定实验技术是怎样从近代发展到现代，利于高中阶段学生科学思维的培养，落实化学学科的情感态度价值观目标。手持技术不仅可以用于化学学科的各个实验，同时还可以应用于物理和生物学科诸多实验，如机械能守恒实验和光合作用实验等多个高中理科实验。笔者建议，中学化学教师应该学习传感技术并将其结合到教材的相关知识原理中，使该技术与化学课程有效整合，改善目前多数中学的探究实验室虽然装备有传感器但却不能应用于教学实践的尴尬现状，增强中学生学习化学的兴趣，帮助他们提高科学素养。本文的形成过程中詹汉英高级实验师提供了充分的实验条件,在此表示诚挚的感谢。参考文献[1]周嘉华，张黎，苏永能.世界化学史.长春：吉林教育出版社，1998：278-281[2]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书化学·实验化学（选修）.南京：江苏教育出版社，2007：74-78[3]王磊.普通高中课程标准实验教科书化学·实验化学.济南：山东科学技术出版社，2006：73-77[4]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学：实验化学(选修6).第2版.北京：人民教育出版社，2007：53-54[5]杨承印,杨宝,杨帆.湖南师范大学教育科学学报.2013,(5):17-20[6]魏锐,包明，王磊,等.化学教育，2007（4）：59-61[7]王春.中学化学教学参考，2013（4）：52-53[8]徐志宏.化学教学，2013（9）：49-51ExperimentalStudyontheTotalAmountofAcidintheVinegarMeasuredbypHSensorYANGCheng-yin,HEYing,GAOShuang-jun,YANGFan(SchoolofChemistry&ChemicalEngeering,ShaanxiNormalUniversity,ShaanxiXi’an710119)Abstract：pHsensorwasusedtomeasurerealtimepHvalueofthesolutionofvinegarandsodiumhydroxidetitrationprocess，andtodeterminetheendpointoftitrationbyderivation，withoutconsideringtheimpactofthecolorofvinegaronthedeterminationoftheendpoint，it'saquantitativeexperimentalcasecloselylinkedtoreallife，theintroductionofthehandheldtechnologyhelpsstudentstolearnthequantitativemethodsandtotrainthescientificthinkingandtopromotestudents'awarenessofthefactthattheprogressofscientificinstrumentscantransformthemodernclassicexperimenttomodernexperiment．Keyword：handheldtechnology;determinationofthetotalamountofacidinvinegar;titrationcurve;pHsensor通信作者杨承印（1957-），男，陕西师范大学化学化工学院教授，教研室主任，从事化学教师教育的教学与研究工作。研究方向：化学教材评价，化学教师专业发展，科学探究教学。在课程教材教法、中国教育学刊、教育学报、全球教育展望、教育科学、化学教育、化学教学、中学化学教学参考等期刊发表论文百篇以上。通讯地址：710119西