NaOH溶液沉淀及分步沉淀常见金属离子的实验探究.docx

? ? NaOH溶液沉淀及分步沉淀常见金属离子的实验探究 ? ? 杜钦芝 陶佳 陈时洪 张明晓 Summary：应用自主研制的MXLab21先进数字化实验系统探究NaOH溶液滴定常见金属离子Fe3+、 Fe2+、 Mg2+、 Cu2+及Al3+的氢氧化物沉淀的pH曲线（pH-V关系曲线）。探究了单一金属离子氢氧化物沉淀的pH曲线，对实验所得的沉淀pH范围与理论计算结果进行比较，发现仅有Fe2+的实验结果与理论计算结果明显不同。探究Fe3+、 Fe2+与Mg2+两两混合和三种离子混合时的氢氧化物沉淀的pH曲线，发现其混合离子均能实现分步沉淀。分析各离子生成氢氧化物沉淀及分步沉淀时的pH范围、消耗NaOH溶液用量的异同，并对实验的异常现象进行解释。这些常见金属离子与NaOH溶液反应生成沉淀及分步沉淀的动态pH-V曲线，对中学化学教学具有一定的参考价值。 Key：氢氧化钠溶液滴定; 分步沉淀金属离子; 数字化实验; 实验探究 ：1005-6629（2021）08-0079-07 ：G633.8 ：B 1 问题的提出 1.1 高中化学教学中金属离子氢氧化物沉淀教学的重要性及存在的问题 沉淀溶解平衡在生产、科研和环保等领域具有广泛应用，是中学化学教学的重点，也是高考的重要考点。在众多的难溶电解质中，常见金属离子如Fe3+、 Fe2+、 Mg2+、 Cu2+及Al3+的氢氧化物是中学化学教学的重要知识点。pH将直接影响金属离子氢氧化物沉淀的生成与溶解，但目前教材中关于利用调节pH的方法分离或除去混合金属离子中某一种或几种金属离子还较少涉及，也几乎未设计相关实验来验证或探究金属离子生成氢氧化物沉淀过程中的pH变化情况。因此，建立常见金属离子用NaOH沉淀及分步沉淀的动态pH-V关系曲线，能很好解决上述教学的不足，帮助学生加深对金属离子氢氧化物沉淀这一知识点的理解。 1.2 金属离子沉淀pH曲线的数字化实验研究现状及其不足 自2003年钱扬义教授开拓了我国的化学数字化实验教学以来[1]，经广大高校学者和中学一线教师的努力，化学数字化实验研究已取得较多成果，但关于pH对常见金属离子氢氧化物沉淀生成与溶解的影响规律及混合金属离子用NaOH分步沉淀的相关研究却很少。目前仅有钱扬义课题组[2]对单一Fe2+和Fe3+及其二者的混合离子与NaOH溶液反应的pH曲线进行了研究。而中学化学教学对常见金属离子氢氧化物沉淀的要求远超出Fe（OH）2和Fe（OH）3的范畴，因此，探究数字化实验在更多金属离子的氢氧化物沉淀体系中的应用具有重要的意义。 2 实验设计 2.1 实验原理 以Mn+指代金属离子，其难溶氢氧化物在水溶液中的沉淀溶解平衡可表示为： 沉淀溶解平衡对应的平衡常数称为溶度积常数（符号Ksp，简称溶度积），其等于Mn+和OH-的浓度幂的乘积，即 比较离子积（Q）与Ksp的大小，可判定沉淀的生成或溶解。利用Q=Ksp，代入Mn+的初始浓度和c（Mn+）=1.0×10-5mol/L，可分别计算出Mn+沉淀开始和沉淀完全时的pH范围，即沉淀的pH范围。 通過理论计算结合实验测定探讨Fe3+、 Fe2+、 Mg2+、 Cu2+、 Al3+用NaOH溶液沉淀及分步沉淀的现象，建立对应的沉淀pH曲线，为中学金属离子氢氧化物沉淀教学提供参考。 2.2 实验仪器及药品 2.2.1 自制的数字化实验系统 MXLab21先进数字化实验系统系本项目组研制的产品，不但有一般手持技术的配置，还配有输液器、加热器、搅拌器及电解池等，可配置多种传感器如惰性电极、pH玻璃电极、离子电极、气敏电极，温度、色度、浊度、电导传感器等以实现各种常规化学实验的自动操作和直观表征。简易装置示意图如图1所示。 该实验系统具有两个突出优点：一是集成化和自动化程度高，既具有磁力搅拌功能，还能够通过输液泵实现自动、匀速添加试剂，且能通过测定滴速确定输入溶液的体积，避免了传统滴定实验装置体积庞大、手动滴定操作复杂、滴定速度不匀的缺点;二是能够实现实时图像显示，直观展示出反应的动态变化过程。 为便于对pH曲线进行标注，下文均运用导出数据重新作图并讨论。 2.2.2 其他实验仪器及实验药品 电子天平、移液器（1～5mL）、pH玻璃复合电极、烧杯（50mL）、药匙、称量纸、四硼酸钠标准缓冲溶液（pH 9.18）和邻苯二甲酸氢钾标准缓冲溶液（pH 4.00） 用NaOH配制1.00mol/L NaOH滴定液;用FeCl3·6H2O、 FeSO4·7H2O、 MgSO4、 Al2（SO4）3·18H2O、 CuSO4·5H2O分别配制0.30mol/L的各金属离子储备液，加水稀释可配制实验测试所需浓度的溶液。配制FeCl3、 FeSO4和Al2（SO4）3溶液时用1.00mol/L盐酸分别调pH约为1.5