王越
摘 要:苯甲酸是有机化学中一种典型的有机酸。本文探讨了高中化学教学中利用数字化实验探究苯甲酸的弱酸性。数字化实验能用直观的数据定量地表明强酸和弱酸在稀释的过程中pH的变化,使学生从数据上更加深入地理解弱电解质在稀释过程中电离程度的变化情况。
关键词:高中化学;数字化实验;弱酸稀释;弱电解质
一、问题的提出
随着科学技术的飞速发展,在高中课堂上,化学实验的现象包括化学理论都可以通过数字化实验用数据体现出来。苯甲酸是化学中的一种典型的弱酸。其弱酸性在很多条件下都是通过查阅其pH值来描述的。这种酸弱到何种程度,如何通过实验来证明其弱酸性并测量其酸性强弱,是教学中的重难点问题。
二、研究内容
pH不随溶液的浓度变化而呈现出10的负对数的变化是弱酸溶液稀释时pH变化与强酸溶液稀释pH变化的显著不同。这样的一种分析方法对于鉴定待测酸为弱酸具有重要的意義。但学生只是从理论角度理解强酸与弱酸溶液在稀释时pH变化规律的不同,无法从实际的角度确切地看到强酸与弱酸的pH随溶液浓度的变化究竟会出现怎样的不同,也就难以理解教材中的解读——隨着弱酸的不断稀释,会有更多的弱酸分子水解以补充水溶液中的氢离子。教师在实际教学中无法用确切的数据给学生解释这一原理,因而成为教学中的一大难点。
三、实验探究
1.实验药品
本实验采用0.0100mol/L苯甲酸溶液。
2.实验仪器
采集器、软件系统、pH传感器(已用标准缓冲液邻苯二甲酸氢钾溶液进行校准,pH=4.00)、滴数传感器(在本实验中通过校准,20.77滴为1 mL)、磁力搅拌器、100mL小烧杯、滴定管、250mL容量瓶、玻璃棒、胶头滴管、蒸馏水洗瓶。
3.实验步骤
(1)用标准缓冲溶液校正pH传感器,通过滴数传感器校正滴定管滴出的一滴液体的体积。
(2)取一定体积的蒸馏水于滴数传感器中。
(3)向烧杯中放入磁子,将烧杯放在磁力搅拌器上,开始搅拌。
(4)在烧杯中注入一定量0.0100 mol/L的苯甲酸溶液。
(5)将洁净的pH传感器插入烧杯的苯甲酸溶液中,并连接好数据采集器和计算机。
(6)打开滴数传感器并收集数据。
(7)完成实验后,处理废液。用蒸馏水冲洗pH传感器,清洗仪器。
(8)利用软件处理得出苯甲酸的稀释曲线并加以分析。
实验装置如图1所示。
四、数据分析
(1)强酸是强电解质,在水溶液中完全电离。而弱酸是弱电解质,在水溶液中存在电离平衡。0.0100 mol/L的苯甲酸溶液其起始pH大于2说明苯甲酸中的活泼H没有完全电离,可证明苯甲酸是弱酸。
(2)苯甲酸的pH与其物质的量浓度并不是10的负对数的关系,pH指的是水溶液中氢离子浓度的负对数,并非作为溶质的酸的物质的量浓度的负对数。
(3)数字实验用曲线得出苯甲酸的稀释曲线较为平缓,与强酸的稀释不同。稀释过程中溶液的总体积与稀释过程中pH的变化并不成负对数的关系,这就明确地解释了教材中的 “随着弱酸的不断稀释,会有更多的弱酸分子水解以补充水溶液中的氢离子”这句话。
五、小结
通过pH传感器和滴数传感器实验检测滴定过程中溶液的pH,并由计算机显示数据和曲线,即可直观地反映出中和反应过程中pH的变化情况,具有简单、便捷、准确的优点。同时pH变化的曲线表征有利于学生建构中和反应的相关知识,提升化学素养。利用传感器检测稀释过程中pH的变化,经数据采集器和计算机的处理可以直接转化为曲线呈现,使学生能够更加直观地认识这一过程pH的变化趋势,建议可作为新课程“化学反应原理”和“实验化学”相关内容的替代实验。
参考文献:
[1]曹居东,王磊,尹冬冬. 普通高中标准实验教科书,化学·有机化学基础(选修)[M].济南:山东科技出版社, 2008:62,82-83.
[2]刑其毅,裴坚,编.基础有机化学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2008:352-357.