实验三运用pH传感器研究盐酸与碳酸钠.碳酸氢钠的反应

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

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

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

数据采集器（VENIER LabPro），计算机及其相配套的软件，pH传感器，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

（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数据。

（3）重复步骤⑵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

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

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。

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=4.3×10-7，K2=4.8×10-11[3]。

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+



3 HCO3- 3HCOOHHCOOHHKKKCOCOH2

323W2=0.21×10-3

CO32- + H2

O HCO3-+OH-

0.1-x x x

x2

0.21103 0.1-x

x=1.01×10-2

x值远远大于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1.01×10-2mol/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8.2-10.0[4]，NaHCO3溶液的酸度恰好刚刚落在酚酞试剂的变色范围内，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。

图3 等质量的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。

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，Na2CO3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

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、CO32-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：

[1] 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，（1—2）.

[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.