研究醋酸溶液PH值与其浓度的关系

课题24研究醋酸溶液PH值与其浓度的关系（本课题可以在选修课上使用）引子：以前去美国学校参观的感受告诉我，他们的学生普遍都有很强的动手能力，着实令我们自愧不如，而TI-83在收集处理实验数据以及迅速对实验结果进行分析的强大功能至今让我印象颇深。令人欣喜的是，目前国内TI-83的教学功能正被逐步得到重视，而各类学校中TI-83的普及率也正逐渐提高。在学校里我经常可以看到许多同学围绕TI-83计算器进行研究和讨论。作为研究问题的一个方式，我利用TI-83研究了一下醋酸溶液PH值与其浓度的关系，整理成文，希望能同大家一起来探讨一下，以求共同进步。这个课题是这样缘起的，我在书上发现醋酸溶液的PH值随着溶液浓度的增大，它的PH值呈现先增后减的趋势，翻阅资料了解个中道理，我对这个现象很感兴趣，也由于书上并没有确切详细的数据，询问老师，老师认为醋酸溶液的PH值应在1mol/L附近，我便很想亲自验证一下。于是就和同学一起开始研究这个课题。以往研究这个课题可以用的方法是利用PH计探测不同浓度的醋酸溶液的PH值，绘制曲线得到它们的关系。然而一些PH探头虽然精度很高，却都有一个缺点，就是随着溶液浓度的增高，它的精度会随之下降，当然也就无法达到这个实验的要求。因而过去醋酸许多高浓度的PH数值都只能依靠理论计算得出。就目前大部分学校的实验设备来讲，很难依靠仅有的设备来完成这个实验的内容。而相对的，TI计算器却能弥补这个不足。TI-83计算器配有许多探头，其中的PH探头由于上述原因也是无法应用于本实验。但是其中还有一种电导率探头，用来测溶液电导率的变化。由于Hac=H++Ac-就醋酸溶液而言，每电离一个氢离子，也就相应增加醋酸根离子的浓度，于是也就增加了溶液总离子的数目，改变了电导率的数值，所以电导率与溶液离子的总浓度有关，也就是说它与PH值之间存在某种关系。又由于电导率探头的精度随着溶液浓度的变化影响不大，因此我们改用电导率探头对溶液进行研究。实验目的：1．得到醋酸溶液电导率与其溶液浓度的关系曲线。2．寻找醋酸溶液PH值的最大点出现在哪个浓度。实验器材：100ml烧杯若干个，100ml容量瓶若干个，玻璃棒，胶头滴管，带刻度50ml移液管或50ml酸式滴定管，50ml酸式滴定管，50ml碱式滴定管，200ml锥形瓶，铁架台及蝴蝶夹，TI-83计算器及其附带电导率探头及CBL。实验试剂：已知浓度的浓醋酸，已知浓度的NaOH溶液，酚酞试剂，蒸馏水。实验过程：设置TI计算器一、将CBL与TI用导线连接好，将探头与CBL连接好。二、打开TI-83计算器，按APPS键，（见图1），选择程序“ChemBio”，按回车，出现提示框（见图2），继续回车，进入“MAINMENU”，（图3）选择“SETUPPROBES”，出现“ENTERNUMBEROFPROBES：”（图4），输入与CBL相连的探头数，即输入“１”，回车，出现一个菜单（图5），选择“CONDUCTIVITY”出现如图6所示屏幕，继续按回车，出现如图7所示屏幕，这时输入连接通道的序号“１”，按回车，屏幕显示如图8其中第一个则是沿用存用的数据及标准，第二个表示重新开始做，第三个回到主菜单。选择1，出现如图9，选择3，屏幕回到主画面。选择2，COLLECTDATA（图10），跳出DATACOLLECTION，选择3，TRIGGER/PROMPT，（图11）出现提示（图12），等待30秒后，按ENTER。现在我们可以开始收集数据了。（图1）（图2）（图3）（图4）（图5）（图6）（图7）（图8）（图9）（图10）（图11）（图12）三、往烧杯中加一定量的溶液，将探头浸没于溶液中，等待CBL上的数据稳定下来，按下CBL上的TRIGGER键，出现如图13，输入溶液的浓度或采集序号，接着屏幕出现如图14的模样。选择1，改变溶液浓度，然后继续像刚才那样收集数据。收集完毕，选择图14中的2，STOP。（图13）（图14）2．定性实验现在我们往蒸馏水中分批少量的加浓醋酸，并测其电导率数值，发现电导率数值发生改变，并成上升趋势，继续滴加，直到发现当超过某个电导率数值时，溶液的电导率数值开始下降，（见图15），记录此数值。（图15）滴定它的浓度重新做一次，（注意电导率探头一定要洗净，以后每测定好一组数据，探头必须洗净放好，下不复述）发现当电导率再次达到此数值时，停止滴加。取50ml此溶液，用标准NaOH溶液进行滴定，得到此溶液的摩尔浓度，我得到的数据是3mol/L。而之前老师告诉我的浓度是1mol/L！我决定用定量的方法重新来验证我的实验结果。验证我们配制了不同浓度的醋酸溶液，其浓度分别是0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L、4mol/L、4.5mol/L、5mol/L。按照刚才的步骤，对这些溶液进行测定，得到一组数据。下面是利用TI-83得到的数据，其中L1是醋酸的浓度，L2是对应的电导率。(见图16)(见图17)(图16)(图17)然后TI-83对数据进行自动绘图，得其变化曲线，其中横轴（X）是浓度，纵轴是电导率。可按“TRACE”及左右光标进行跟踪。我们发现其最大值点出现在3mol/L附近，也就是说，在3mol/L的时候，溶液的电阻最小，导电能力最强，溶液中的离子数目最多，氢离子的浓度最大，PH值最小。从理论上解释这张图，因为在浓度很稀的时候，电导率随浓度的变化而变化，近似一条直线（见图18中在0到0.1之间的点几乎全部靠在Y轴上），而随着浓度的增加，离子间的碰撞几率大大增加，因而在电离的同时，离子也在重新合成分子，于是曲线发生了弯曲，当到达最高点的时候，就是刚刚达到电离平衡的时候。可是为什么接下来曲线会下降呢？这是由于醋酸分子的电离，是由于水离子的水合作用，因此当溶剂越来越少时，它的电离的能力必然下降，因此电阻变大，电导率变小。当接近与纯醋酸的时候，就几乎无法电离了。（图18）当然醋酸PH的最大值点也许不是恰好在3mol/L,也许在2.8,2.9或者3.1,3.2处取得。但是对于醋酸这种一元弱酸，在浓度较高时浓度相差零点几对它的PH值的影响已不是很大了。因此可以确定它的PH值的最值就是在3mol/L附近。实验体会：其实做实验是一件很辛苦的事，没有对实验结果的执著精神，没有对成功的强烈渴望，我相信我可能根本无法写出这篇文章。想想在实验室站上一天，鼻子里老是充肆着醋酸呛人的味道，还要忍受长时间的枯燥和乏味，更要怀着成功的信心面对一次又一次的失败，个中的酸甜苦辣，真的只有亲身经历了才知道。然而当看到自己出人意料的结果，成为了驳斥老师观点的重要的证据，并最终得到老师认可，我真切地感受到了成功的喜悦，更为高兴的是，以前对美国学校同学的羡慕现在已经变成了对自己能力的肯定与自豪，特别是想到现在我们中国学生也可以通过TI计算器来研究并解决问题，更值得我欣慰，也值得大家欣慰。另外值得一提的是，TI-83可以与计算机相连接，从而它可以与电脑进行信息传输，更可以从网络中下载先进的程序以供方便研究。在这个课题中，老师悉心的指导与淳淳的鼓励一直是我能够前进的重要因素与动力。我为我们能有如此好的老师而感到幸福，这是我们学生拥有的一笔珍贵的财富，我十分的感谢他们。我一直在想，我们的教育是不是与一些发达国家相差了许多，他们的学生从小就接受能力的培养，他们重视的是如何用身边的条件来达到解决问题的目的，而我们却并不是这样。我们的学校还有围墙，而他们的学校已溶入了社会中。我们的学校只有实验室而他们的学校不仅有实验室而且还有广泛的社会基础。我们的学校大概只关心分数，而他们的老师还要看你会不会不小心打碎试管……。但我很高兴越来越多的学校开始重视学生能力的培养，不然我也没有机会些这篇文章，但毕竟我们才刚刚开始，前面似乎还有很长的一段路要走。上海市七宝中学学生徐欢欢指导教师施力争