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2016/1/20874077876@qq.comV16051V杯赛参赛作品利用pH和电导率变化探究FeCl3与NaOH的反应过程湖北省荆门市龙泉中学李兰郑小玲摘要:对于金属离子完全沉淀的PH判断是高中化学反应原理部分的重要内容。Fe3+是常见的金属离子。本文利用PH传感器和电导率传感器研究了不同浓度的FeCl3溶液与氢氧化钠反应形成Fe(OH)3沉淀的过程,从定量的角度将Fe3+完全沉淀的PH展示给学生。实验显示,不同浓度的FeCl3溶液,其pH不同,但Fe3+完全沉淀时的pH相等。体系电导率是先减小后增大。关键词:电导率传感器;pH传感器;FeCl3;沉淀人教版高中化学选修4《化学反应原理》中关于“溶度积常数”的学习应用中涉及某些金属离子完全转化为氢氧化物沉淀的PH值判断。学生在学习该部分内容时常存在这样的疑惑:为什么在酸性条件下也可以生成沉淀?酸不是可以溶解大多数沉淀吗?基于此,我们选择PH传感器用直观的曲线和数据展示Fe3+形成Fe(OH)3沉淀过程中的PH变化,并用电导率传感器检测该过程的电导率变化,作为辅助分析。一、实验原理FeCl3在水溶液中会发生水解,其溶液呈酸性(反应①)。加入NaOH溶液后,Fe3+和OH-会发生反应,生成红褐色Fe(OH)3沉淀(反应②)。反应①FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl反应②FeCl3+3NaOHFe(OH)3+3NaCl二、实验过程(一)实验仪器和药品EDIS系统、数据采集器、PH传感器、电导率传感器、铁架台、磁力搅拌器、小烧杯(100mL)、碱式滴定管(25mL)、酸式滴定管(25mL)医用输液管、电子天平、容量瓶(250mL)、蒸馏水、NaOH溶液(0.05mol/L)、FeCl3溶液(0.02mol/L和0.01mol/L)。(二)实验装置由于电导率传感器与PH传感器不能再同一溶液中同时监测,为保证实验的可重复性,我们对酸式滴定管进行以下改装,用于控制NaOH溶液的滴加速率(如图1)。每次实验均将碱式滴定管中的液面调到0.00mL,并在实验开始时快速将医用输液管调节阀推至硬铁丝位置。此外,在软件参数设置上将频率设为1Hz,采集数据保留2位小数,分别连接PH传感器和电导率传感器,监测反应过程的PH变化和电导率变化。 2016/1/20874077876@qq.comV16051反应装置为100mL小烧杯,采用磁力搅拌器搅拌。图1滴加氢氧化钠装置(三)实验内容1、FeCl3溶液与NaOH溶液反应过程中pH变化分别在20.00mL0.01mol/L的FeCl3溶液和20.00mL0.02mol/L的FeCl3溶液中滴加0.05mol/L的NaOH溶液,其PH变化如图2所示:图20.01mol/L的FeCl3与0.02mol/L的FeCl3分别与0.05mol/L的NaOH溶液时的PH变化从图2可以看出随着NaOH溶液的加热,FeCl3溶液的PH先缓慢增加,再突然增大,然后再趋于平缓。开始滴加NaOH溶液时,加入的NaOH会与FeCl3发生反应,同时存在稀释作用。FeCl3溶液稀释后Fe3+的水解程度会增大,水解产生的HCl也对PH的增大有一定的减缓作用,因此PH上升缓慢。当Fe3+完全沉淀时(C≤10-5mol/L),与OH-反应的Fe3+浓度很低,且Fe3+ 2016/1/20874077876@qq.comV16051水解对PH上升的减缓作用大大减弱,因此PH发生突变。而后氢氧化钠过量,PH上升再次趋缓。已知,Fe(OH)3的溶度积Ksp=4×10-38,当Fe3+恰好完全沉淀时(C=10-5mol/L),OH-的物质的量浓度约为1.5874×10-11,此时溶液pH=3.2。结合图2,我们可以看到,在PH≈4时,0.01mol/L的FeCl3溶液与0.01mol/LFeCl3溶液的PH均开始出现突变,此时Fe3+浓度约为4×10-8mol/L,属于沉淀完全。由此可知PH曲线发生突跃时Fe3+已沉淀完全(此时C<10-5mol/L)。通过曲线可以使学生更加直观深刻的体会到不同浓度的FeCl3溶液完全沉淀的PH大致相同,且Fe3+在酸性溶液中(PH≈3.8)即可完全转化为Fe(OH)3。2、FeCl3溶液与NaOH溶液反应过程中电导率变化在20.00mL0.01mol/L的FeCl3溶液中滴加0.05mol/L的NaOH溶液,其电导率变化如图3所示:图30.01mol/L的FeCl3与0.05mol/L的NaOH溶液时的电导率变化从图3可以看出溶液电导率先下降在增大然后趋于平缓。开始电导率下降主要是加入的NaOH溶液与FeCl3发生反应生成沉淀,同时存在稀释作用,使溶液的离子浓度下降,导电性变弱。当NaOH溶液与FeCl3完全反应后,溶液电导率为最低值。对比图2和图3,电导率在30s左右为最低值,0.01mol/L的FeCl3溶液中Fe3+为10-5mol/L,PH=3.2的时间也在30s左右,二者基本一致。此后,NaOH溶液过量,溶液的电导率先上升后趋于平缓。三、结论与反思通过实验,我们发现Fe3+形成Fe(OH)3沉淀的过程中的PH和电导率曲线均存在突跃,该突跃与Fe3+完全沉淀相对应。其中PH曲线的突跃大约出现在PH≈4时,此时Fe3+浓度约为4×10-8mol/L,已经沉淀完全。采用数字化实验,学生可以通过PH曲线和电导率曲线直观的感受到FeCl3溶液形成Fe(OH)3沉淀过程中的“量变” 2016/1/20874077876@qq.comV16051,促进其从定性思维到定量思维的转化,帮助其理解所学内容。
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