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1、ID2054运用 pH 传感器研究盐酸与碳酸钠、碳酸氢钠的反应实验目的实验目的1 学习使用pH 传感器。2 运用 pH 传感器测定溶液 pH 变化，更好的研究和认识化学反应。实验原理实验原理Na2CO3溶液与盐酸的反应过程分为两个阶段，CO32- +H+ =HCO3- （1）HCO3-+ H+= H2O+CO2 （2）其中第二阶段正是 NaHCO3溶液与盐酸的反应。因此 Na2CO3溶液与盐酸反应过程 pH 的变化也应该分为两个阶段，其中第二阶段与 NaHCO3溶液与盐酸反应的 pH 的变化相吻合。仪器与药品仪器与药品数据采集器（VENIER LabPro） ，计算机及其相配套的软件，pH 传
2、感器，滴管，磁力搅拌器，压强传感器，烧杯（100mL） ，铁架台，大试管，盐酸（2mol/L）Na2CO3，NaHCO3，蒸馏水实验步骤实验步骤（1）组装实验装置，将 pH 传感器、滴管、数据采集器与计算机三者相连接，双击“Logger Lite 1.5”软件，在“实验”中选择“数据采集” ，模式选择“事件配记录” ，栏名称“盐酸体积” ，单位“mL”。（2）称取 2g Na2CO3固体放入 100mL 小烧杯，加入 40mL 蒸馏水，打开磁力搅拌器，待 Na2CO3固体完全溶解。用滴管逐滴滴入盐酸并开始采集数据。每滴加 1 mL 采集一次数据。当 pH 不再随盐酸的加入而有显著变化时停止采集
3、数据。（3）重复步骤测定向 2gNaHCO3固体和 40mL 蒸馏水配成的 NaHCO3溶液中滴加盐酸时 pH 的变化曲线。（若分别取 1g 碳酸钠和碳酸氢钠，上述反应可在更短时间内完成）实验结果与分析实验结果与分析从实验所得下图中，可明显看到碳酸钠与盐酸反应有两个 pH 突跃，而碳ID2054酸氢钠与盐酸反应只有一个 pH 突跃。图1向 Na2CO3溶液滴加盐酸时 pH 的变化曲线图2向 NaHCO3溶液中滴加盐酸时 pH 的变化曲线拓展阅读拓展阅读ID2054以下是用滴数计数器和 pH 传感器作出的上述反应更为精致的实验图像。（1）图 1 为向 Na2CO3溶液中滴加盐酸时 pH 的变化曲
4、线。图 1 向 Na2CO3溶液滴加盐酸时 pH 的变化曲线由上图可以看出，该浓度下的 Na2CO3溶液呈现较强的碱性（pH 接近 12） 。滴入盐酸后，pH 稍有下降，继续滴入盐酸，pH 变化趋于平缓，出现第一个平台，直至 pH 达到 9（第一个平台结束）以后又有明显下降，此时伴随极少量气泡产生。随着盐酸的持续滴入，pH 降到约 7.5 时变化再次趋于平缓，出现第二个平台，且此阶段有大量气泡产生。待 pH 缓慢下降到 6 左右（第二个平台结束） ，溶液内几乎无气泡产生，pH 下降速度明显加快。待反应溶液呈现强酸性时，随着盐酸的滴加，pH 基本没有明显变化。另外，通过观察，第一个平台和第二个平
5、台消耗的盐酸体积基本相同，都约为 9mL。这说明两个阶段消耗的氢离子的量是相等的。（2）图 2 为向 NaHCO3 溶液中滴加盐酸时 pH 的变化曲线。ID2054图 2 向 NaHCO3溶液中滴加盐酸时 pH 的变化曲线由上图可知，该浓度下的 NaHCO3溶液呈现极弱的碱性（pH 约为 8.4） 。滴入盐酸溶液后，溶液立即有气泡产生，pH 稍有下降并逐渐趋于平缓，出现平台。随着盐酸的持续滴入，溶液中有大量气泡产生。待 pH 缓慢下降到 6 左右（平台结束） ，溶液内几乎无气泡产生，pH 下降速度明显加快。待反应溶液呈现强酸性时，随着盐酸溶液的滴加，pH 基本没有明显变化。平台消耗的盐酸体积约
6、为 11mL。对上述实验现象，可进行如下理论计算与分析。2g Na2CO3固体溶于 40mL 蒸馏水，形成的 Na2CO3溶液的物质的量浓度约为 0.47mol/L，且 H2CO3的 K1=4.310-7，K2=4.810-113。Na2CO3溶液中，由于 CO32-的水解而使溶液显碱性。以 0.47mol/L 的Na2CO3溶液为研究对象，则：CO32- + H+ HCO3-=0.2110-3 2 33KCOOHHCO HCOHOHHCO2 332W KKCO32- + H2O HCO3-+OH-0.1-x x xID205432 1021. 0x-0.1xx=1.0110-2x 值远远大于
7、 10-7，可以忽略水的电离，而且以上水解抑制了 HCO3-继续水解，故可认为 HCO3-的浓度为 1.0110-2mol/L。从而求得 0.47mol/L Na2CO3溶液的 pH=12。实验测得该浓度下 Na2CO3溶液的 pH=11.93，与理论计算值基本吻合。由于 HCO3-既能发生水解，又能发生电离，对其溶液 pH 的计算较为复杂。现在公认的 NaHCO3溶液的 pH 的计算与其浓度无关。其 pH 值为 8.31。3实验测得 NaHCO3溶液的 pH=8.37，与理论计算值基本吻合。而酚酞的变色范围是pH 值为 8.2-10.04，NaHCO3溶液的酸度恰好刚刚落在酚酞试剂的变色范围
8、内，使得无色酚酞试剂遇 NaHCO3溶液开始变红，但变化不明显。通过上述两个实验图像及实时显示的 pH 值，学生很轻松的可以得到Na2CO3溶液、NaHCO3溶液的 pH 值，两者碱性强弱显而易见。而且 Na2CO3溶液与盐酸的反应过程明显分为两个阶段，其中第二阶段正是 NaHCO3溶液与盐酸的反应，在图像上这两个过程应该是重合的，实际实验现象是不是这样呢？为了对比明显、便于分析，可把图 3、图 4 两条 pH 变化曲线放到一个图表中，如图 3 所示。需要说明的是，需要对 NaHCO3与盐酸反应的曲线在坐标轴中进行平移。ID2054图 3 等质量的 Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应 pH
9、变化对比图很明显，Na2CO3与盐酸反应的第二阶段与 NaHCO3与盐酸反应的过程是基本重合的。这也验证了 Na2CO3与盐酸反应阶段性的观点。美中不足的是两者起点不同（如图中圆圈表示） ，这说明两者消耗盐酸的体积不同。对于这点差异，我们可以通过计算加以说明。此次实验称取的Na2CO3、NaHCO3质量相同，均为 2g，根据化学方程式计算，把 2g Na2CO3滴定至 NaHCO3，再滴定至 H2CO3，两个阶段消耗盐酸的量是相等的，均各需消耗 2mol/L 的盐酸约 9.4mL；把 2g NaHCO3滴定至 H2CO3，需消耗 2mol/L 的盐酸约 11.9mL，同阶段两者消耗盐酸体积相差
10、 2.5mL，与实验结果基本一致。也就是说，由于 Na2CO3、NaHCO3的摩尔质量不同，等质量的Na2CO3、NaHCO3，后者的物质的量比前者大，消耗盐酸自然多。既然差异是由反应物的物质的量不同引起的，那么，取等物质的量的 Na2CO3和 NaHCO3做对比实验，会不会消除差异呢？取等物质的量的 Na2CO3和 NaHCO3进行了实验，结果如图 4 所示。ID2054图 4 等物质的量的 Na2CO3、NaHCO3与盐酸反应 pH 变化对比图很明显，Na2CO3与盐酸反应的第二阶段与 NaHCO3与盐酸反应的过程是一致的，说明在向 Na2CO3溶液中滴加盐酸时，反应确实是分阶段的，Na2
11、CO3先与等物质的量的盐酸反应生成等物质的量的 NaHCO3和 NaCl，然后 NaHCO3与盐酸反应生成 NaCl、H2O 和 CO2。运用手持技术实时呈现的图像，学生可以直观的看到 Na2CO3与盐酸反应分为两个阶段，结合 NaHCO3与盐酸的反应过程跟 Na2CO3与盐酸反应的第二个阶段重合的事实，学生能更容易接受和理解 CO32-与 H+反应的具体过程，即CO32- +H+ =HCO3-，HCO3-+ H+= H2O+CO2。思考与讨论思考与讨论综上所述，可以得到以下结论：1、Na2CO3的碱性比 NaHCO3强，Na2CO3水解呈现较强的碱性，NaHCO3水解呈现极弱的碱性；2、CO
12、32-与 H+反应过程分为两个阶段，即CO32- +H+ =HCO3-；HCO3-+ H+= H2O+CO2。3、物质的量是联系微观粒子和宏观物质的纽带，在培养学生利用宏观现象分析微观过程的思维活动中，以等物质的量的标准设置对比实验更为科学。参考文献：ID20541 江敏.在实验中展现化学的魅力宏观中的微观和微观中的宏观J.中学化学教学参考, 2011,(10).2 张向宇等著.实用化学手册M.国防工业出版社.1986:719.3 王文林.对 Na2CO3、NaHCO3 与稀盐酸反应实验的认识J.化学教学，2005， （12）.4 武汉大学等校编,曹锡章等修订.无机化学(上册) (第三版).北京:高等教育出版社,1994:372.
