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数字化实验复分解反应的顺序 随州市随县吴山镇中心学校 罗功中 摘要：基于 pH 传感技术的数字化实验，结合平衡常数和共存离子浓度的计算与讨论，探讨了在硫酸和硫酸铜溶液中滴加氢氧 化钠、在稀盐酸和氯化钙溶液中滴加碳酸钠、在碳酸钠和氢氧化钠溶液中滴加稀盐酸等过程的 pH 变化，认为这些体系中并存的复分 解反应可以看作能先后发生。这为消除此类教学盲点和展开类似的探究教学提供了一些有益的参考。 关键词：数字化实验；pH 传感器；复分解反应顺序；实验探究 复分解反应的发生有 先后顺序：稀硫酸和氢氧化钠反应在先，所以开始沉淀 不出现，待此中和反应结束后，硫酸铜再和氢氧化钠反 应产生氢氧化铜沉淀。但是在教学实践中我们发现由 于试管实验现象不清晰（何时沉淀？沉淀量何时达到 最大？），所以不能很肯定地得出结论：到底有没有明 显的先后反应呢？这种“解题思路”若不讲学生中考可 能失分，若讲心里又没底，只好含糊地用所谓的“教学 经验”告诫学生：“在两个并存的复分解反应体系中，中 和优先。”这样的机械化教学显然有悖于 2011 版新课 标“充分发挥实验的教育功能”的理念，不利于培养学 生的质疑精神。能不能用更好的实验加以验证？这样 的“经验”能不能得到理论解释呢？我们想到体系中的pH 是一个很好的参照对象，它容易被测，数值稳定、 重现性好，而且不受产生沉淀或气体的干扰。为此设计 了运用基于 pH 传感技术的数字化实验，获得了在稀硫 酸和硫酸铜混合溶液中滴加氢氧化钠时 pH 的变化曲线 由于这两个反应实质是相互竞争的离子反应 : H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l) Kθ1 Cu2+(aq)+2OH-(aq)= Cu(OH)2(s) Kθ2 所以在不考虑反应速率的前提下，通过热力学计 算得出 Kθ1 和 Kθ2，同时为了简化讨论，假设稀硫酸和硫 酸铜的初始浓度相同，即 0.1 mol/L，然后比较反应分别 达到平衡时，能共存的 c(OH-) 大小。若中和反应所需 的 c(OH-) 远远小于沉淀反应所需的 c(OH-)，则可以认 为中和反应在先。将上述讨论与 pH 变化曲线的分析结 合起来，就能得出实践和理论两个层面的相互印证。具 体的实验过程及计算讨论如下： 实验试剂及仪器 mol/L 的 NaOH 溶液、0.1 mol/L 的 CuSO4 溶液、 mol/L 的稀硫酸、0.1 mol/L 的 CuSO4 和硫酸混合溶 液。 爱迪生公司的 pH 传感器、数据采集器、安装 Edislab 软件的电脑及铁架台、聚四氟乙烯滴定管、烧 杯、磁力搅拌器。 2 实验过程 （1）在 500 mL 的烧杯中盛放 20 mL 的稀硫酸，加 水稀释至约 150 mL。将烧杯放在磁力搅拌器上，调整 铁架台位置。 （2）在滴定管中装入足量的 NaOH 溶液，固定在 铁架台上，连接好 pH 传感器、数据采集器和电脑，将 传感器放入烧杯中，启动软件。 （3） 打开磁力搅拌器，滴加 NaOH 溶液，若滴定 管中溶液不足，可继续添加。 （4）将稀硫酸换成 CuSO4 溶液以及 CuSO4 和硫酸 混合溶液。重复上述操作得到曲线如图 1、2、3 所示。 图 1 在稀硫酸中滴加氢氧化钠的 pH 变化 图 2 在硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠的 pH 变化 图 3 在稀硫酸和硫酸铜的混合溶液中滴加氢氧化钠的 pH 变化 讨论及计算 （1）从图 1 可以看出 pH 在 2 到 3 之间开始发生 突变，从图 2 可以看出 pH 在 6 到 7 之间开始发生突变， 将图 3 与图 1 和图 2 对比可以清楚印证，混合体系中的 pH 在 2 到 3 和 6 到 7 之间开始两次突变。所以，不难 理解，氢氧化钠先与硫酸反应，反应完全后，溶液呈弱 酸性（这是由于硫酸铜溶液本身显弱酸性的缘故），然 后氢氧化钠再与硫酸铜反应形成沉淀，反应完全后继 续滴加，溶液呈强碱性（由于强酸强碱本身具有缓冲性 质，所以开始和过量时体系的 pH 变化缓慢，基本上处 于一个平台上）。 （2）平衡常数和共存 c(OH-) 的计算如下： 首先，中和反应的离子表达式为：H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l) 在 298 K 时，根据表 1，可以计算出反应的吉布斯 自由能变化： 表 1 中和反应中各物质的标准摩尔生成吉布斯自由能 [1] 物质 H2O（l） H+（aq） OH-（aq） fGθm/kJ·mol-1 -237.129 0 -157.244 rGθm1=ΔfGθm(H2O)- fGθm(H+)- fGθm(OH-)=[-237.12