v杯赛参赛作品

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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。