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        關(guān)于電位分析法計算溶液pH習(xí)題的討論*

        2011-04-02 20:53:51劉秀萍
        大學(xué)化學(xué) 2011年6期
        關(guān)鍵詞:試液緩沖溶液電位

        劉秀萍

        (晉中學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 山西晉中 030600)

        電位分析法的一個最基本的應(yīng)用是使用pH計精確測定溶液的pH。事實上,pH計的使用簡單、易學(xué),通過實驗課的學(xué)習(xí),學(xué)生能很快熟練地掌握操作。問題是,在解答有關(guān)溶液pH計算題時,學(xué)生往往會表現(xiàn)出對有關(guān)基本理論、基本概念掌握不系統(tǒng)、理解不深刻,從而產(chǎn)生疑惑,解題出現(xiàn)錯誤。筆者認(rèn)為,在注重理論課及實驗課教學(xué)的同時,應(yīng)加強習(xí)題課的教學(xué)與研究,這樣既能使學(xué)生從問題出發(fā),系統(tǒng)理解、全面掌握理論知識,又能培養(yǎng)學(xué)生用理論指導(dǎo)實踐,實現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。

        下面針對電位分析法計算溶液pH習(xí)題存在的問題,從學(xué)生解題和習(xí)題內(nèi)容兩方面進(jìn)行討論,分析問題產(chǎn)生的原因,并提出解決的方法。

        1 計算溶液pH習(xí)題存在的問題

        1.1 學(xué)生解題時存在的問題

        ① 利用pH實用定義式解題出現(xiàn)的錯誤。

        在一些教材中[1-3]有如下的計算pH習(xí)題:

        用pH玻璃電極測定pH=5的溶液,其電極電位為+0.0435V,測定另一未知試液時,電極電位為+0.0145V,電極的響應(yīng)斜率為58.0mV/pH,計算未知試液的pH。

        解法一:

        已知:pHs=5,Es=0.0435V,Ex=0.0145V,S=58.0mV/pH=0.058V/pH

        求:pHx=?

        解:根據(jù)pH實用定義式計算。

        pHx=pHs+(Ex-Es)/0.058=5+(0.0145-0.0435)/0.058=4.5

        解法二:

        已知:pHs=5,Es(玻璃)=0.0435V,Ex(玻璃)=0.0145V,S=58.0mV/pH=0.0580V/pH

        求:pHx=?

        解:由玻璃電極電位與溶液pH的線性關(guān)系來解題。

        踐行短鏈、智能、共生的3 S理論,京東物流搭建了全面開放的平臺,致力于成為高效鏈接人、貨、場的基礎(chǔ)設(shè)施,減少搬運次數(shù),降低全鏈條運營成本,助力商業(yè)增長,并大力投入技術(shù)和創(chuàng)新,經(jīng)過多年的創(chuàng)新發(fā)展,已獲得數(shù)千項專利,提升了物流效率。

        因為:E(玻璃)=K-SpH

        所以:Es(玻璃)=K-SpHs

        (1)

        Ex(玻璃)=K-SpHx

        (2)

        式(1)-式(2),得:

        pHx=pHs+(Es(玻璃)-Ex(玻璃))/S=5+(0.0435-0.0145)/0.0580=5.5

        比較解法一和解法二,顯然,解法一是錯誤的,導(dǎo)致出錯的原因是未區(qū)分電極電位和電池電動勢這兩個基本概念,直接代入pH實用定義式進(jìn)行計算。大多數(shù)學(xué)生都是按解法一解題,網(wǎng)上也有這樣的解法。

        ② 未牢固樹立量的概念,不注意有效數(shù)字的保留。

        如解法一中,S=58.0mV/pH=0.058V/pH,S為2位有效數(shù)字是不準(zhǔn)確的。根據(jù)題目所給已知條件可知S應(yīng)為3位有效數(shù)字,即應(yīng)為S=58.0mV/pH=0.0580V/pH。一些學(xué)生對E、pHs和pHx的有效數(shù)字保留不正確。

        1.2 習(xí)題中存在的問題

        ① 隨意選擇一定pH的緩沖溶液替代標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液定位。pH緩沖溶液可根據(jù)其作用分為一般緩沖溶液和標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液兩類。標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的作用是在pH計準(zhǔn)確測定溶液pH時進(jìn)行定位、校準(zhǔn)儀器。推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液參見美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)制定的一套(10種)pH標(biāo)準(zhǔn)溶液[6]和中國使用的7種pH標(biāo)準(zhǔn)溶液[1]。但習(xí)題中卻有隨意選擇一定pH的一般緩沖溶液的情況。如有選擇pHs=6.00[1]、pHs=5.00[2]、pHs=4.74[4]的,有選擇pHs=3.0和pHs=8.0[5]的,還有選擇pHs=5[1,3]的,顯然,這些都不是標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液,不能用于定位或校準(zhǔn)儀器。

        ② 任意編寫一些數(shù)據(jù),不注意有效數(shù)字位數(shù),不考慮儀器的測量精度和測量的范圍。標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pHs是否正確可靠,是準(zhǔn)確測量pHx的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pHs一般為2位有效數(shù)字。但習(xí)題中pHs有效數(shù)字位數(shù)卻有1位的,如pHs=3.0和pHs=8.0[5];也有位數(shù)不確定的,如pHs=5[1,3];儀器有一定的測量精度和測量的范圍,如同一習(xí)題中測量的電池電動勢有3位小數(shù)的,有2位小數(shù)的,同一臺酸度計數(shù)據(jù)精度不相同。

        ③ 習(xí)題中選擇的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pHs與測得的未知試液的pHx相差較大(ΔpH>3),導(dǎo)致測定誤差大。如有些習(xí)題中選擇pHs=4.00的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液定位,測定pHx=7.83、pHx=0.17等未知試液(ΔpH=3.83>3)。單標(biāo)法要求所選擇的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的pHs應(yīng)盡量與待測未知液的pHx接近(一般ΔpH<3),可以減小測定誤差。

        2 問題產(chǎn)生的原因

        從以上陳述可知,問題產(chǎn)生的原因主要有兩方面,其一,教材對有關(guān)pH玻璃電極的基本概念及特性闡述的不夠明確,未明確列出計算未知試液pHx的公式;其二,編寫習(xí)題時,不以實驗為依據(jù),任意編寫數(shù)據(jù),未把有關(guān)的基本知識和測定的基本方法緊密聯(lián)系在一起,屬出題不嚴(yán)謹(jǐn)。

        3 解決問題的方法

        應(yīng)用“理論+實驗+習(xí)題”的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué),注重每個教學(xué)環(huán)節(jié)及其相互聯(lián)系,可避免出現(xiàn)以上問題,從而提高教學(xué)質(zhì)量。

        ① 以教師為主導(dǎo),加強理論課的教學(xué),注重基本概念與基本知識的講解,準(zhǔn)確給出pHx計算公式。

        重要的是教師要吃透教材,講清測定未知試液pH的實用定義式(或操作定義式)與未知試液pH的計算公式的區(qū)別。強調(diào)pH的實用定義式只表明測定溶液pH的操作定義,不能作為計算溶液pH的計算公式。計算公式可以根據(jù)玻璃電極電位(或電池電動勢)與溶液的pH在一定pH范圍內(nèi)呈線性關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)得到。其線性方程分別為:

        E(玻璃)=K-SpH

        E(電池)=K+SpH,

        由此可推導(dǎo)出計算pHx的公式分別為:

        pHx=pHs+(Es(玻璃)-Ex(玻璃))/S

        (3)

        pHx=pHs+(Ex(電池)-Es(電池))/S

        (4)

        式(3)和式(4)的本質(zhì)區(qū)別在于玻璃電極的電位E(玻璃)和電池的電動勢E(電池),搞清楚這一點,使用這兩個公式計算就不會產(chǎn)生錯誤。

        ② 以學(xué)生為主體,通過實驗課的學(xué)習(xí)和實踐,掌握儀器的性能,提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

        通過實驗,可使學(xué)生對pH玻璃電極的特性及pH計的測量精度和測定的pH范圍等更加明確,如知道普通的pH玻璃電極的響應(yīng)線性范圍為1~10,pH鋰玻璃電極響應(yīng)的線性范圍為1~13.5,就能知道習(xí)題中出現(xiàn)測定未知試液pH=0.17會產(chǎn)生較大的誤差,這樣的習(xí)題編寫的不好。了解了不同儀器的測量精度,不僅可以理解習(xí)題中數(shù)據(jù)的意義,正確地表示計算結(jié)果,而且可指導(dǎo)學(xué)生合理地選擇儀器,以培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。

        ③ 教師和學(xué)生互動,加強習(xí)題課的教學(xué)和研究,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

        解題時要求學(xué)生仔細(xì)閱讀習(xí)題,從中可獲取大量有效信息如分析方法、分析步驟、試劑最佳用量、儀器性能等,特別是要了解每個數(shù)據(jù)的意義,以加深對基本理論及基本知識的理解和掌握。分析有關(guān)計算pHx的習(xí)題可以發(fā)現(xiàn),習(xí)題基本上都是以單標(biāo)法校正pH計,故選取合適的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液很重要,如測定pHx=7.83的未知液,若選用pHs=4.00的0.0500mol/L鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液定位(ΔpH=3.83>3),則不如選用pHs=6.86的0.02500mol/L混合磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(ΔpH=0.97<3)準(zhǔn)確度高。又如1.1中所討論習(xí)題,pHs=5 ,定位不準(zhǔn),則難以正確表示pHx的計算結(jié)果。由此,可使學(xué)生明確有效數(shù)字位數(shù)的重要性。

        [1] 武漢大學(xué)化學(xué)系.儀器分析.北京:高等教育出版社,2001

        [2] 華中師范大學(xué),陜西師范大學(xué),東北師范大學(xué).分析化學(xué)(下冊).第3版.北京:高等教育出版社,2001

        [3] 武漢大學(xué)化學(xué)系分析化學(xué)教研室.分析化學(xué)例題與習(xí)題.北京:高等教育出版社,1999

        [4] 劉東,徐紹炳.分析化學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)題.北京:高等教育出版社,2006

        [5] 潘祖亭,曾百肇,劉東,等.分析化學(xué)碩士生入學(xué)考試復(fù)習(xí)指導(dǎo).北京:科學(xué)出版社,2005

        [6] 武漢大學(xué).分析化學(xué)(下冊).第5版.北京:高等教育出版社,2007

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