利用氧化還原測定亞硫酸鈉含量創新實驗電勢(ORP)傳感器定量

朱成東 戈益超

摘要：科技進步對教育教學具有明顯的促進作用，許多時候能夠起到傳統教學難以企及的作用。本文從實驗創新的角度出發，基于氧化還原滴定原理，采用酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液并借助氧化還原電勢（ORP）傳感器獲得滴定曲線圖，通過數學求導確定滴定終點，從而得到亞硫酸鈉質量分數，在教育教學中展示科技的魅力。

關鍵詞：氧化還原電勢（ORP）傳感器? 氧化還原滴定? 創新實驗

一、問題提出

亞硫酸鈉由于易被空氣中的氧氣氧化而變質，實驗室往往需要標定其含量。但是采用傳統的酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液方法，由于利用過量的酸性高錳酸鉀做指示劑，學生總認為過量的高錳酸鉀會讓實驗產生誤差。筆者運用現代傳感技術，借助氧化還原電勢（ORP）傳感器顯示滴定終點，從而求出質量分數，既得到較準確的實驗結果，又可以加深學生對滴定過程中的“突躍”的理解，收到非常好的教學效果。

二、實驗內容及結論

（一）氧化還原電勢（ORP）傳感器工作原理

氧化還原電勢（ORP）傳感器能夠測量溶液中氧化劑的氧化能力或還原劑的還原能力。ORP傳感器有兩個組件，其一是鉑金屬，浸在所測溶液中，另一組件為密封的銀/氯化銀凝膠（用作鉑半電池的標準），測量時通過電壓放大器呈現出電勢差，從而確定該溶液氧化性或還原性的強弱。

（二）實驗滴定原理

酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液時，當酸性高錳酸鉀溶液與亞硫酸鈉溶液恰好完全反應時，ORP傳感器測得的電勢將迅速增加，此時電勢的變化最大。我們可以根據氧化還原滴定曲線，通過數據處理，進而計算樣品中亞硫酸鈉的質量分數。

（三）實驗儀器及藥品

儀器：1.電子天平，250 mL容量瓶，25.00 mL移液管

2.ORP傳感器，滴數傳感器，磁力攪拌器

3.數據采集器（VENIER LabPro），計算機及其相配套的軟件（Logger Pro 3）

藥品：1.亞硫酸鈉樣品

2.0.1000 mol/L KMnO4（硫酸酸化）標準溶液

3.除氧蒸餾水

（四）實驗步驟

1.電子天平稱取10.00 g亞硫酸鈉樣品，用除氧蒸餾水配成250 mL溶液備用;

2.實驗裝置如圖1所示，將ORP傳感器、滴數傳感器分別與數據采集器相連，數據采集器再與計算機相連，之后將磁力攪拌器、小燒杯、ORP傳感器、滴定管依次放好，打開Logger Pro 3（軟件）;

3.先用高錳酸鉀標準溶液潤洗滴定管，裝液25.00 mL，排氣泡，再用移液管移取25.00 mL亞硫酸鈉溶液于小燒杯中，準備滴定;

4.打開軟件中數據采集功能，再打開磁力攪拌器，最后緩慢打開滴定管活塞，讓酸性高錳酸鉀溶液逐滴滴下，計數器采集數據并自動繪制滴定曲線。

（四）實驗數據及處理

酸性高錳酸鉀溶液滴定亞硫酸鈉溶液過程中ORP傳感器測量溶液的電勢隨高錳酸鉀溶液體積變化的曲線圖如圖2（a）所示，利用軟件所帶的程序對圖2（a）中的曲線進行求導，得到一次導數曲線如圖2（b）所示。

說明：滴定過程中，當酸性高錳酸鉀溶液滴加到20.00 mL時，ORP傳感器測量溶液的電勢變化率最快，即圖2（b）中的最高點，也是氧化還原反應恰好進行完全的點。

結論：計算樣品中亞硫酸鈉質量分數=0.02 L×0.1000 mol·L-1×52×126 g·mol-110.0 g×25 mL250 mL×100%=63.0%。

三、實驗創新點

1.在氧化還原滴定中，利用ORP傳感器測量電勢變化，可以不需要指示劑就能準確測量出氧化還原反應恰好完全進行的等量點，從而很好地解決因找不到合適的指示劑而無法進行氧化還原滴定的實驗;

2.與滴數傳感器結合使用，準確記錄滴加溶液的體積，同時生成圖像，再用計算機處理數據，軟件（Logger Pro 3）可以自動求導，更容易找到電勢隨體積變化率最快的點;

3.酸性高錳酸鉀滴定亞硫酸鈉溶液過程中，同時通過計算機生成曲線圖像，因此可以用四重表征（宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征）來重新理解氧化還原滴定。而滴定過程中溶液變紅這一宏觀表征與曲線中“突躍”這一曲線表征的完美結合，極大地激發了學生求知的欲望，解決了酸性高錳酸鉀作指示劑帶來的誤差問題，且同時直觀地看到“突躍”這一現象，加深學生對“突躍”的理解。