用數字化實驗探討某些并存復分解反應的順序

摘要：基于pH傳感技術的數字化實驗，結合平衡常數和共存離子濃度的計算與討論，探討了在硫酸和硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉、在稀鹽酸和氯化鈣溶液中滴加碳酸鈉、在碳酸鈉和氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸等過程的pH變化，認為這些體系中并存的復分解反應可以看作能先后發生。這為消除此類教學盲點和展開類似的探究教學提供了一些有益的參考。

關鍵詞：數字化實驗；pH傳感器；復分解反應順序；實驗探究

文章編號：1005–6629（2013）11–0051–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在近幾年的中考化學試卷中，類似下題的考查往往給初三化學帶來了新的教學盲點。例如（2013年山東日照14題）向燒杯中逐滴加入x溶液至過量（圖甲），生成沉淀或氣體的質量與加入x溶液的質量關系符合圖乙的是（ ）。

顯然答案A選項的考查點是復分解反應的發生有先后順序：稀硫酸和氫氧化鈉反應在先，所以開始沉淀不出現，待此中和反應結束后，硫酸銅再和氫氧化鈉反應產生氫氧化銅沉淀。但是在教學實踐中我們發現由于試管實驗現象不清晰（何時沉淀？沉淀量何時達到最大？），所以不能很肯定地得出結論：到底有沒有明顯的先后反應呢？這種“解題思路”若不講學生中考可能失分，若講心里又沒底，只好含糊地用所謂的“教學經驗”告誡學生：“在兩個并存的復分解反應體系中，中和優先。”這樣的機械化教學顯然有悖于2011版新課標“充分發揮實驗的教育功能”的理念，不利于培養學生的質疑精神。能不能用更好的實驗加以驗證？這樣的“經驗”能不能得到理論解釋呢？我們想到體系中的 pH 是一個很好的參照對象，它容易被測，數值穩定、重現性好，而且不受產生沉淀或氣體的干擾。為此設計了運用基于pH傳感技術的數字化實驗，獲得了在稀硫酸和硫酸銅混合溶液中滴加氫氧化鈉時pH的變化曲線（同上題選項A的情景）。

1 實驗試劑及儀器

0.1 mol/L的NaOH溶液、0.1 mol/L的CuSO4溶液、0.1 mol/L的稀硫酸、0.1 mol/L的CuSO4和硫酸混合溶液。

愛迪生公司的pH傳感器、數據采集器、安裝Edislab軟件的電腦及鐵架臺、聚四氟乙烯滴定管、燒杯、磁力攪拌器。

2 實驗過程

（1）在500 mL的燒杯中盛放20 mL的稀硫酸，加水稀釋至約150 mL。將燒杯放在磁力攪拌器上，調整鐵架臺位置。

（2）在滴定管中裝入足量的NaOH溶液，固定在鐵架臺上，連接好pH傳感器、數據采集器和電腦，將傳感器放入燒杯中，啟動軟件。

（3） 打開磁力攪拌器，滴加NaOH溶液，若滴定管中溶液不足，可繼續添加。

（4）將稀硫酸換成CuSO4溶液以及CuSO4和硫酸混合溶液。重復上述操作得到曲線如圖1、2、3所示。

3 討論及計算

（1）從圖1可以看出pH在2到3之間開始發生突變，從圖2可以看出pH在6到7之間開始發生突變，將圖3與圖1和圖2對比可以清楚印證，混合體系中的pH在2到3和6到7之間開始兩次突變。所以，不難理解，氫氧化鈉先與硫酸反應，反應完全后，溶液呈弱酸性（這是由于硫酸銅溶液本身顯弱酸性的緣故），然后氫氧化鈉再與硫酸銅反應形成沉淀，反應完全后繼續滴加，溶液呈強堿性（由于強酸強堿本身具有緩沖性質，所以開始和過量時體系的pH變化緩慢，基本上處于一個平臺上）。

2

c（OH-）2=7.20×10-10 mol/L

對比兩組數據，可以很明顯地看出，在稀硫酸和硫酸銅溶液中，前者能夠共存的氫氧根離子濃度遠遠小于后者，所以，在稀硫酸與硫酸銅混合體系中滴加氫氧化鈉時，稀硫酸確實先與氫氧化鈉發生中和反應。

4 其他混合體系發生復分解反應時pH的變化和討論

用同樣的方法，我們獲取了在稀鹽酸和氯化鈣混合溶液中滴加碳酸鈉溶液、在氫氧化鈉和碳酸鈉的混合溶液中滴加稀鹽酸時的pH變化，見圖4、圖5。結合得出的平衡常數（方法同上，不列出計算過程），討論如下：

對照圖4可以看出，一開始體系中的pH就發生向上的突躍，從約1.9到約7.5。這個階段發生的反應主要是（Ⅰ）；第二個階段是在7～8之間的平臺，對應的反應主要是（Ⅱ），由于生成物都是中性的鹽，所以pH基本不變；第三個階段是pH從8到10的上升期，這是過量的碳酸鈉呈堿性的緣故；第四個階段就是堿性較強的緩沖平臺。由此也可以認為在這個體系中，碳酸鈉與鹽酸的反應優先。

（2）在圖5所示的混合體系中，主要發生的是以下三個反應：

對照圖5可以看出，一開始就有一個向下的pH突變，從約13.2降到約11，發生的反應主要是（Ⅲ）；第二個階段是pH從約11到約9的下降期，發生的反應主要是（Ⅳ），但是體系中共存Na2CO3與NaHCO3而有緩沖效果，pH的變化比較緩慢；第三個階段是pH從約9到約5.7的下降期，此時主要發生的是（Ⅴ），但是有CO2溶解在水中，所以還有NaHCO3-H2CO3的緩沖效應，體系的pH出現了從約6.8到約5.7的第二個緩降過程；第四個階段就是鹽酸的過量而引起的pH快速下降（溶解的CO2大量逃逸）以及第五個階段強酸性的緩沖平臺。由此可以認為在這個體系中：鹽酸和氫氧化鈉的反應優先（即中和優先）。

5 結論

某些中考題中考查復分解反應先后順序的考點，由于缺乏有效的實驗佐證，缺少從熱力學層面上的討論，已經淪為初中化學教學的盲點。我們利用基于pH傳感技術的數字化實驗，獲取了某些混合反應體系的pH變化曲線。有了這些實驗數據和圖形，結合反應平衡常數和共存離子濃度的計算討論，可以使教學獲得多方位的支撐：教師可以有理有據地傳授知識，學生可以借助圖形分析，啟迪思維，提升能力；可以讓教學從“感性”走向“理性”，讓學習從“盲從”變為“明理”。

參考文獻：

[1][2]傅獻彩等.物理化學（第五版，上冊）[M].北京：高等教育出版社，2005：附錄表17～18.