利用Excel图表智能分析酸碱滴定pH变化.doc

利用Excel图表智能分析酸碱滴定pH变化摘 要 文中介绍了利用Excel图表智能分析酸碱滴定过程中溶液的pH变化关键词 酸碱滴定 滴定曲线 Excel表格酸碱中和滴定是一种重要的滴定分析法，滴定分析简便、快捷、具有足够的准确度，在生产实践和科学实验中具有很大的实用价值。酸碱中和滴定涉及的原理、药品、操作都相对简单，使其成为中学阶段介绍的重要的实验方法，具有重要的方法教育作用。 酸碱中和滴定实验是中学化学教学的重难点之一，教学过程中酸碱中和滴定理论分析的核心问题有：第一，酸碱中和反应的实质，即H+ + OH= H2O；第二，酸碱中和滴定的计算依据，即酸和碱起反应的物质的量之比等于化学方程式中的化学计量数之比；第三，准确判断中和反应是否恰好进行完全，即滴定终点的判断。实际教学中第三问题是学生难以理解的，pH的突变是酸碱中和滴定过程的重要特征，pH的突变对于选择合适的酸碱指示剂判断终点具有重要意义。教材中并不要求学生认识突变的存在，因此未展示滴定曲线，仅通过语言进行描述。但学生很难理解教材1中讲述的“用盐酸滴定NaOH溶液时，从表面看，似乎没有变化，但实质上，在滴定过程中，溶液的pH发生了很大的变化”，更难理解为何指示剂的变色点不在pH=7处，却可以用来指示滴定终点。因此教师在教学实践中往往会引申介绍pH突变的存在，而这一内容又会成为学生理解的一个难点。 为了让学生感受到pH突变的真实存在，人教版新课标高中化学选修6实验化学设计了“酸碱滴定曲线的测绘”2，由学生亲自动手绘制酸碱滴定曲线，进而深入的认识酸碱滴定的原理。此实验用到pH计，在拓展实验时还用到pH传感器及数据采集器等设备，并使用相关专业软件和电脑。对于经济欠发达的地区因实验仪器配备不全而无法做此实验，笔者通过Excel软件设计出能显示酸碱滴定过程中溶液的pH变化，利用Excel图表智能描绘酸碱滴定曲线。 创设酸碱中和滴定情境：以010molL盐酸作标准溶液，滴定10.00mL 0.10molLNaOH待测溶液。利用Excel函数功能计算滴定过程中每加一滴标准酸反应后溶液的pH，并建立表格；再由表格中的数据自动绘制滴定曲线，从而形象展现滴定过程中溶液的pH变化。计算时每滴溶液的体积为0.05mL。一、 溶液pH的计算1 计算溶液中的H+浓度(公式中的n为所加盐酸的滴数)当HCl的物质的量小于NaOH的物质的量时：此时n 200 。2 计算溶液的pH pH = log10c(H+)二、 用Excel表格进行数据处理（文中所用Excel为Microsoft Excel 2003）1.新建Excel表格，按图1输入相关内容A3A402单元格中是1400这一等差数列，这400个数字表示所加入盐酸溶液的滴数。当加入盐酸200滴时，就到了滴定的终点，为了观察分析pH变化，再多加入200滴盐酸。NaOH的物质的量是个固定值，用n(NaOH) = 0.10mol/L10.00mL10-3L/mL = 110-3mol来计算，为了方便,将110-3mol用1mmol表示，即千分之一摩尔。所以，在C3C402单元格中都输入1即可。2. 计算每加入1滴盐酸时，所加入HCl的物质的量在B3单元格中输入公式“=A3*0.05*0.1”，将单元格向下填充复制到B402（如图2）。公式说明：A3*0.05是所加入盐酸的体积，0.1是盐酸的物质的量的浓度。此时所计算的结果仍然以千分之一摩尔为单位。3. 计算每加入1滴盐酸反应后溶液的总体积 在D3单元格中输入公式“=10+A3*0.05”，并将D3单元格向下填充复制到D402单元格（如图3）。此时所计算的体积单位是毫升。 公式说明：“=10+A3*0.05”表示10.00mL的NaOH溶液与加入盐酸的总体积，A3表示盐酸的滴数，0.05表示每滴盐酸的体积。4. 计算溶液中c(H+)在E3单元格中输入公式：“=IF(B3C3,(B3-C3)/D3,IF(B3=C3,10-7,10-14/(C3-B3)/D3)” ,将E3单元格向下填充复制到E402单元格（如图4）。 公式说明：因为是一元酸和一元碱中和反应，n(H+)、n(OH)分别等于n(HCl)、n(NaOH)。计算c(H+)时，物质的量单位是千分之一摩尔，体积是毫升，计算结果正好是mol/L。“=IF(B3C3,(B3-C3)/D3,IF(B3=C3,10-7,10-14/(C3-B3)/D3)”是条件函数，表示意义为：酸碱反应后，如果溶液呈酸性则c(H+) = （B3C3）/D3;如果溶液呈中性则c(H+) = 1107；如果溶液呈碱性则c(OH) =（C3B3）/D3，然后由水的离子积换算出c(H+) = Kw/c(OH)。单元格数据说明：E3中的数据1.0101E-13表示1.010110135.计算溶液的pH 在F3单元格中输入公式“=LOG10（E3）”，将该单元格向下填充复制到F402单元格（如图5）。并设置F列单元格数值为2位小数。 公式说明：“=LOG10（E3）”表示E3单元格中的c(H+)的pH。三、教学中的应用 通过上面的Excel处理就得到了在酸碱中和滴定过程中，每加入一滴盐酸反应后溶液的pH。这些数据比较直观地展现酸碱中和滴定过程中溶液的pH的变化。将这些结果应用于教学，可以起到事半功倍的效果。1. 数据分析 分析这些数据可以发现，当没有达到或已超过滴定终点，每加入一滴盐酸后，溶液的pH变化都比较小。并且距离滴定终点越远，pH变化就越小。接近滴定终点时，前后加入一滴盐酸就会引起溶液的pH很大的变化。（如图6，为了节省篇幅在Excel中隐藏一些数据）。数据说明:当滴入199滴（终点前一滴）盐酸时，溶液的pH为10.4，加入200滴（终点）盐酸时，溶液的pH为7，而滴入201滴（终点后一滴）盐酸时，溶液的pH就变为3.6。这表明酸碱中和滴定过程中，溶液的pH发生了很大的变化，特别是终点附近溶液pH变化极大，称之为突变。而大多数指示剂的变色范围都在此突变区域内。这就是指示剂的变色点不在pH=7处却可以指示终点的根本原因，也是滴定分析法有足够准确性的理论依据。2. 智能生成图表利用上述Excel表格中的数据智能生成图表、自动绘制滴定曲线，则更能直观、形象地展现酸碱滴定过程中溶液的pH变化。由Excel表格生成图表步骤如下：（1） 选择A列单元格，按下【Ctr】键再选择F列单元格，然后选择菜单栏的“插入图表”菜单项（如图7）。（2） 打开“图表向导-4步骤之1-图表类型”对话框，在对话框的“标准类型”中选择“XY散点图”，在对话框的“子图类型”中选择“无数据点平滑线散点图”（如图8）。点击“下一步”按钮。（3） 此时出现“图表向导-4步骤之2-图表源数据”对话框。因为事先已选数据，故直接单击“下一步”按钮。出现“图表向导-4步骤之3-图表选项”对话框，输入“图表标题”、“数值（X）轴”、“数值（Y）轴”的名称（如图9）。“坐标轴”、“网格线”、“图例”、“数据标志”这些选项进行相应的设置或默认。单击“完成”按钮就得到了滴定曲线（如图10）。（4） 图表美化图10看起来很不美观，横轴：NaOH的滴数最大值为500，太多，改为400，且分刻度为100，间隔太大，改为20。纵轴：溶液的pH最大值改为14，分刻度改为1。曲线的颜色加深些，线条加粗些。标题、横纵轴字体太大，改得成比例些。曲线区及区外用不同颜色填充增加对比度。调整方法：选中要调整的对象单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“坐标轴格式”命令，可在出现的对话框中进行设置。调整后得到美化的酸碱滴定曲线图表（如图11）。 Excel中绘制的“酸碱滴定曲线”图表是在“酸碱中和滴定数据”表格基础上通过函数功能自动生成的，数据表格和曲线图表由电脑运算互相联系。如果改动表格中的数据（标准溶液、待测溶液的浓度，体积等）则曲线图表会作相应的调整。这就可以将任意体积、浓度的酸碱中和滴定过程中溶液的pH变化，以Excel数据表格和曲线图表的形式展现出来。从而实现酸碱滴定pH变化分析的集成化、智能化。教学中可直接用Excel表格展示，也可导入到PowerPoint中制成多媒体课件。如果使用摄像头录制实验过程，并将实验过程和滴定曲线同时显示出来，便可将pH的突变与指示剂变色的实验现象有机整合。这可帮助学生体验酸碱中和滴定中pH的突变的存在，加深对酸碱滴定原理的理解。 补充说明：本文附有相应的Excel源文件参考文献1人民教育出版社化学室，全日制普通高级中学教科书（必修