占達東 柏文良 李攻科 甘峰

(中山大學化學與化學工程學院 廣東廣州510275)

計算機與化學

計算機輔助配位滴定實驗教學的若干實例

占達東 柏文良 李攻科 甘峰*

(中山大學化學與化學工程學院 廣東廣州510275)

介紹計算機輔助分析化學實驗教學在配位滴定教學中的幾個實例。結果表明，借助滴定軟件，學生能更為直觀地領會配位滴定的本質，并可在實驗過程中取得較好的效果。

分析化學實驗教學［1-2］是大學基礎化學教學的重要組成部分，在培養(yǎng)學生的動手能力和把所學理論知識運用于實際分析過程方面起重要的作用。同時，分析化學實驗也是讓學生真正領會分析化學關于量的概念的重要性的一個重要環(huán)節(jié)。分析化學實驗教學和分析化學理論教學［3］的完美結合，對學生掌握完整的分析化學知識體系起著至關重要的作用。

然而，隨著教學改革的逐步推進，分析化學實驗教學面臨著越來越嚴峻的考驗。首先，分析化學理論教學課時數(shù)的壓縮使得理論課教學與實驗課教學幾乎同步進行。這就使得學生往往在還沒有學習相關理論知識的時候，就被動地接受實驗課教學及相關的操作實驗;其次，有些分析化學實驗教學手段陳舊，難以形象直觀地展示定量分析過程的本質，往往事倍功半;最后，學生在課外的預習過程中，缺乏相應的輔助學習工具，使其難于把握實驗內容和步驟而收效甚微。所以，根據新形勢改進分析化學實驗教學，是擺在教師面前的一個急需解決的問題。

我們認為，在新形勢下，采用計算機輔助分析化學實驗教學是一個值得重視的課題。國內外的許多高校在這個方面做了有益的探索，制作了許多分析化學實驗教學的課件。這些成果對于分析化學實驗教學起了一定的促進作用。

1 基礎實驗的教學實例

1.1 EDTA標準溶液的標定

EDTA標準溶液的配制及標定實驗是配位滴定的一個最基礎又最重要的實驗，對其掌握的好壞，直接關系到后續(xù)實驗的成敗。用于標定EDTA的標準物質有很多，實驗教學中通常介紹用鋅和碳酸鈣作基準物質的相關實驗內容。當采用碳酸鈣作為標準物質時，反應體系的pH控制在10.0左右，使用鉻黑T做指示劑。為了使終點顯色明銳，還需在緩沖溶液中先加入少量MgY2-。而當采用鋅作標準物質時，反應體系的pH要控制在5～6，使用二甲酚橙做指示劑。

在實驗教學中，教師通常是借助配位滴定條件式(lg(cK'(MY))≥6)，通過闡明K'(MY)隨pH改變來進行講解。然而，由于上式屬靜態(tài)陳述，無法很好地揭示配位滴定的動態(tài)過程，學生并不能很好地理解采用不同標準物質時的滴定特點。我們在教學過程中向學生展示了在采用不同標準物質及不同pH下的滴定曲線圖，通過對比，使學生較好地理解這部分內容。圖1為以碳酸鈣作標準物質時的滴定曲線;圖2為以鋅作標準物質時的滴定曲線。從圖1可以看到，在pH=5時，滴定曲線在化學計量點的位置上(ρ=1)沒有突躍，故不能在這種條件下用碳酸鈣標定EDTA;而在pH=10.0時，滴定曲線上有明顯突躍，故此時可用碳酸鈣標定EDTA。而采用鋅作為標準物質時，化學計量點的位置雖然不變，但滴定曲線的突躍范圍卻不同，pH= 10.0時的突躍范圍要大于pH=5.0時的突躍范圍。所以，采用氧化鋅做標準物質時，要根據不同的pH選用不同的指示劑。在pH=10.0時，可選用鉻黑T做指示劑;而在pH=5.0時，可選用二甲酚橙做指示劑。通過這種直觀的圖形演示，可使學生在理解選用不同的標準物對EDTA溶液進行標定這個問題上有更為直觀的認識，在實際的分析操作中減少盲目性。

圖1 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Ca2+溶液的滴定曲線

圖2 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Zn2+溶液的滴定曲線

1.2 水的總硬度測定

水的總硬度測定是合量滴定的一個典型例子。水的總硬度指水中的鈣鎂離子總量，由于鈣離子和鎂離子與EDTA的穩(wěn)定常數(shù)相差不大，故通常情況下只能滴定它們的總量。然而，這一點常引發(fā)學生的困惑。原因在于學生很難僅僅從穩(wěn)定常數(shù)的差異上想象出滴定過程中鈣、鎂離子濃度的變化，也很難對滴定的化學計量點有直觀的認識。

圖3為EDTA滴定鈣、鎂混合離子的滴定曲線。從圖3可以看到，鈣、鎂離子濃度在ρ=2時發(fā)生突躍。這一結果表明，EDTA確實可以滴定鈣、鎂離子的總量。從圖3還可以看到，在滴定開始時，首先是鈣離子與EDTA反應為主，而在接近化學計量點時，鎂離子被快速消耗掉，緊接著鈣離子也被快速消耗掉。這一有趣的次序提示我們:在采用EDTA測定水的總硬度時，EDTA標準溶液的標定宜采用碳酸鈣作為標準物質。在混合離子合量滴定過程中，不同離子在化學計量點附近的演進特征，是傳統(tǒng)的實驗教學方式所難于揭示的。

圖3 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Ca2+和0.01mol·L－1M g2+混合溶液的滴定曲線pH=10.0

2 提高階段的教學實例

2.1 鉛鉍混合溶液的連續(xù)滴定

鉛鉍混合溶液的連續(xù)滴定實驗是一個比較典型的分步滴定的例子。這個實驗的目的是向學生揭示通過調節(jié)溶液的pH實現(xiàn)多個組分的依次滴定。盡管控制酸度的滴定在理論教學中已經被充分地強調過，但并不直觀。這個實驗分兩步進行:(1)先調節(jié)溶液的pH≈1，以二甲酚橙為指示劑，用EDTA標準溶液滴定其中的鉍離子;(2)在滴定完鉍離子后，用六亞甲基四胺溶液調節(jié)溶液pH為5～6，再用EDTA標準溶液滴定其中的鉛離子。

圖4 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Bi3+和0.01mol·L－1Pb2+混合溶液的滴定曲線pH=1.0

圖4為pH≈1時的滴定曲線。從圖4可以看到，在整個滴定過程中及在鉍的化學計量點前后，鉛離子的濃度基本不變，這就直觀地顯示出在此酸度條件下，鉛離子的存在對于鉍離子的滴定沒有影響。圖5為在鉍離子滴定完全之后，將溶液的pH調節(jié)為5～6時的滴定曲線。在前一步滴定中，化學計量點時鉍離子的游離濃度約為7.92×10-7mol/L;當pH調節(jié)至5～6時，鉍離子濃度約為3.98×10-28mol/L。由于此時溶液中的鉍離子濃度非常低，不會對鉛離子的滴定產生影響。

圖5 當圖4中鉍離子被滴定完全后用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Bi3+和0.01mol·L－1Pb2+混合溶液pH=5.0

2.2 測定鋅鋁混合溶液中的鋅離子濃度

測定鋅鋁混合溶液中的鋅離子濃度這個實驗是作為設計性實驗開設的。該實驗要求學生對給定的實驗項目進行設計，寫出自己的設計方案。設計性實驗對提高學生分析問題、解決問題的能力有很大的幫助，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一種有效方法，在大學化學教學中已越來越受到重視。

然而，設計性實驗對于低年級本科生而言，還有一定的難度。例如，上述實驗的難點在于選擇合適的掩蔽劑，這需要對各種掩蔽劑的使用條件及掩蔽效果進行相應的計算。如果使用手工計算，則計算量較大，且不直觀。

圖6(a)是用EDTA直接滴定鋅鋁混合溶液的滴定曲線。從圖6(a)可以看到，如果不采用某種方式消除鋁的影響，則只能實現(xiàn)合量滴定。圖6(b)為以氟化氨做掩蔽劑時的滴定曲線。從圖6(b)可以看到，在掩蔽劑作用下，溶液中的鋁離子濃度非常低，并且在整個滴定過程中其濃度基本不變，所以它對EDTA滴定鋅離子已經沒有任何影響。

圖6 用0.01mol·L－1EDTA滴定0.01mol·L－1Al3+和0.01mol·L－1Zn2+混合溶液的滴定曲線

如果學生能用計算機模擬出各種實驗條件下的實驗結果，通過比較分析，實驗的設計思路就清晰了，設計的實驗就容易獲得成功。相對于傳統(tǒng)的試探方法，采用計算機輔助設計實驗，可以減少化學試劑的使用量，有利于節(jié)約成本和保護環(huán)境。

3 結束語

用計算機輔助配位滴定實驗教學，給分析化學實驗教學提供了一種新方法。在教學過程中，教師可根據教學需要，將各種相關實驗條件輸入到滴定軟件中，由計算機模擬出滴定過程中各種金屬離子濃度的變化，并顯出相應曲線圖，這樣就可以通過圖中的滴定曲線直觀形象地講述滴定的動態(tài)過程，避開理論講述和公式計算，避免重復講述理論課的內容;學生也容易掌握實驗原理，有更多的時間動手操作。從實驗教學效果來看，那些在實驗課前借助滴定軟件進行了充分預習的學生，所用實驗時間會比其他學生少一小時左右，且實驗結果相對較好。

［1］ 蔡明招.分析化學實驗.北京:化學工業(yè)出版社，2004

［2］ 華中師范大學，東北師范大學，陜西師范大學，等.分析化學實驗.第3版.北京:高等教育出版社，2007

［3］ 甘峰.分析化學基礎教程.北京:化學工業(yè)出版社，2007