创新探究醋酸钠-醋酸缓冲液的缓冲能力

摘要

用数字化设备对醋酸钠-醋酸缓冲液的缓冲能力进行探究，即采用数字化设备记录不同配比和不同温度条件下的醋酸钠-醋酸缓冲液分别缓冲稀盐酸和稀氢氧化钠溶液时，缓冲液pH随稀酸或稀碱消耗量的变化情况。这一实验结果能够实现整个缓冲过程的数据化、图象化，从而为化学反应过程的研究创造条件。数字化实验充分体现了高标准的数字化实验设备针对实验过程的探究能力，能清晰、实时地反馈化学反应过程中的每个时间节点的反应情况，有助于化学实验的过程分析和定量分析，是未来化学实验研究的发展方向之一。

Graphical abstract

关键词

数字化实验 / 醋酸钠-醋酸缓冲液 / 缓冲过程 / 缓冲能力

化学是一门以实验为基础的应用学科，其特征是从微观层面认识物质，基于其微观原理的探析往往是通过宏观实验现象入手进行分析的，但在实验过程中，这一方法具有一定的局限性。对此，广大化学教师有必要采取有针对性的措施解决相应的问题。

在中学化学教学过程中，有些化学反应过程存在较为复杂、现象不明显或者无法对实验参数进行实时测量等问题，导致无法建立由宏观到微观的分析途径。因此，有必要采取有效的教学手段，以解决实验观察与分析的问题。

数字化实验是一种集成多种先进信息技术的实验方式，主要借助计算机与传感器之间的相互配合，即将传感器、数据采集器和计算机依次相连，采集真实实验过程中的各种物理量（如温度、压强、浓度、电导率、pH、相对湿度等），并实时记录、分析和呈现实验现象，进而从中归纳出实验结论，使研究者能更好地分析、比较物质变化和化学反应的细节，从而提高研究者对化学反应过程的理解程度以及实验探究的效率^［1］，最终达到提高科研效率和精准度的目的^［2］。

与传统实验手段相比，数字化实验具有设备携带方便、测量操作简单等特性，是实现信息技术与科学研究深度融合的有效手段^［3］，因而受到了中学广大师生的普遍欢迎。

随着教育装备数字化程度的不断提升，数字化实验可以实现对实验过程的实时反馈，能够将部分定性实验定量化，即通过“数字和图象”等手段清晰、精确地反映化学原理的本质^［4］。基于此，笔者以探究醋酸钠-醋酸缓冲液的缓冲能力为例，详细阐述如何将数字化实验方法应用于较为复杂化学反应过程的探究之中，希望能对中学化学实验教学有所帮助。

1 实验背景

常规酸碱中和滴定实验中的滴定终点是通过指示剂变色时滴定管中消耗的酸或碱的体积来加以确定的，由于酸碱指示剂的变色范围和反应终点的pH存在着一定的误差，再加上肉眼观察颜色变化也存在一定的误差，这就给实验操作带来了一定的难度和不准确性，且无法得知滴定过程中pH的变化规律；当引入数字化实验设备后，滴定终点就可以通过pH的突变点来确定，能实现零误差操作和实验过程的可视化、数据化和精确化，使实验结果更加精确。

缓冲液的缓冲原理，是酸碱中和反应的延伸。缓冲液是一种能在加入少量酸（或碱）和水时抵抗pH改变的溶液，目的是尽可能地增加pH突变时消耗已知浓度酸或碱的体积。弱酸及其盐的混合溶液（如醋酸与醋酸钠）、弱碱及其盐的混合溶液（如氨水与氯化铵）等都是缓冲溶液。

缓冲液的作用原理是基于溶液中存在着足够量的碱A^-或酸HA，即有：当向缓冲溶液中加入一定量的强酸时，H⁺离子基本上被A^-离子消耗，所以溶液的pH几乎不变；当向缓冲溶液中加入一定量的强碱时，溶液中存在的弱酸HA消耗OH^-离子而阻碍pH的变化。

在向缓冲溶液中加入少量强酸或强碱时，其溶液pH的变化并不大，但倘若向缓冲溶液中加入的酸或碱的量较多时，溶液pH就会发生突变。在这种情况下，缓冲溶液就失去了它的缓冲作用，这说明它的缓冲能力是有一定限度的。

在环境溶液pH突变时，加入的酸或碱的量越多，说明缓冲液的缓冲能力越大，故而研究不同环境适用的缓冲液对于缓冲液的选择具有指导意义。

缓冲液在生物体、工业生产和实验室中都有着重要的作用。在生物体中，缓冲系统对维持生物的正常pH、正常生理环境起着重要作用。多数细胞仅能在很窄的pH范围内进行活动，而且需要有缓冲体系来抵抗在代谢过程中出现的pH变化。在工业上，缓冲溶液常被用于调节染料的pH。在实验室中，由于很多实验都对实验环境的酸碱度有一定要求，这时候就需要通过加入缓冲液以保持实验环境的酸碱度在一定范围内。

缓冲溶液还可以被用于pH计的校正。缓冲液可用于稳定溶液的pH。对于生化实验或研究工作而言，缓冲液的选择非常重要，因为有时实验环境的酸碱度对实验结果的影响是很大的，所以对缓冲液的研究就显得格外重要。

2 数字化实验过程简介

缓冲液对目标环境液体的缓冲作用原理类似于酸碱中和反应，但由于缓冲液中化学成分通常是两种，因此相比只有两种反应物的酸碱中和反应原理更为复杂和抽象，而采用数字化实验可以实时分析整个缓冲液的缓冲过程。

为此，笔者以常见的醋酸钠-醋酸缓冲液对常见酸（稀盐酸）和常见碱（氢氧化钠溶液）的缓冲作用为例，先用稀盐酸和稀氢氧化钠溶液分别滴定不同配比和不同温度条件下的醋酸钠-醋酸缓冲液，再用滴数传感器记录滴定过程中滴定液体积的变化情况，最后用pH传感器记录滴定过程中缓冲液pH的变化情况。

滴定装置：可加热磁力搅拌台，其主要作用是在滴定过程中控制缓冲液的温度；针筒式滴定管，其作用是配合滴数传感器可以记录滴定过程中滴定液体积的增加情况；pH传感器，用于记录滴定过程中缓冲液pH的变化情况。

使用数字化传感器，可以清晰展现整个酸碱中和反应过程，并可记录每个化学参数的变化情况，并据此绘成曲线，使得整个反应过程实现图象化、数据化。

3 探究等比例醋酸钠-醋酸缓冲液对稀盐酸的缓冲效果

将15 mL 0.1 mol/L醋酸钠和15 mL 0.1 mol/L醋酸混合后加入烧杯中；向烧杯中的混合液内插入pH传感器并使得pH传感器的电极玻璃球浸没于液面下，加入搅拌磁子，将烧杯置于搅拌台上开始匀速搅拌；打开针筒式滴定管的放液阀，通过滴数传感器向烧杯中的混合液内逐滴滴入0.1 mol/L的盐酸溶液，观察混合液pH随盐酸溶液滴入量的变化情况。

如图1所示，其横坐标为滴入的0.1 mol/L稀盐酸体积，其纵坐标为混合液的pH，当盐酸溶液滴入量达到7 mL左右时，pH有明显降低，之后随着盐酸溶液的滴入，pH在2左右上下浮动，缓冲液基本失去缓冲作用。

4 探究不同体积比醋酸钠-醋酸缓冲液对稀NaOH溶液的缓冲效果

在常温下，将0.1 mol/L醋酸钠（体积V₁）和0.1 mol/L醋酸（体积V₂）以不同体积比共计30 mL溶液混合后加入烧杯中；向烧杯中的混合液内插入pH传感器并使得pH传感器的电极玻璃球浸没于液面下，加入搅拌磁子，将烧杯置于搅拌台上开始匀速搅拌；通过滴数传感器向烧杯中的混合液内逐滴滴入0.1 mol/L稀NaOH溶液，观察混合液pH随0.1 mol/L稀NaOH溶液滴入量的变化情况。

如图2所示，横坐标为滴入的0.1 mol/L稀NaOH溶液的体积，纵坐标为混合液的pH，5条曲线（图象）代表不同醋酸钠-醋酸体积比缓冲液的pH变化曲线（图象），V₁∶V₂为醋酸钠和醋酸的体积比，不同体积比缓冲液在缓冲稀NaOH溶液时都有pH突变点。醋酸钠和醋酸体积比越小，突变点对应的横坐标值越大，说明缓冲掉的稀NaOH溶液量越多，对碱的缓冲能力越强，当醋酸钠-醋酸体积比为1∶1（即15 mL醋酸钠和15 mL醋酸）混合时，缓冲液对稀NaOH溶液的缓冲体积达到了9.2 mL，相较于3中缓冲同浓度稀盐酸的缓冲体积更大，缓冲能力更强；当缓冲液中醋酸钠和醋酸体积比为1∶4（即6 mL醋酸钠和24 mL醋酸）混合时，缓冲液对稀NaOH溶液的缓冲体积达到15.4 mL。

相较于对稀盐酸的缓冲作用，醋酸钠-醋酸缓冲液更适用于缓冲氢氧化钠溶液，醋酸含量越高，能缓冲的稀NaOH溶液量越大，而这一结论同酸碱中和反应的原理相一致，实验效果较好，体现了实验在内在逻辑上的相通性。

5 探究不同温度条件下醋酸钠-醋酸缓冲液对稀NaOH溶液的缓冲效果

由图2的实验结果可知，若醋酸钠-醋酸缓冲液中的醋酸含量多，则更加有利于增加缓冲液对0.1 mol/L稀NaOH溶液的缓冲能力。

将6 mL 0.1 mol/L醋酸钠和24 mL 0.1 mol/L醋酸以1∶4体积比混合后加入烧杯中；向烧杯中的混合液内插入pH传感器并使得pH传感器的电极玻璃球浸没于液面下，加入搅拌磁子，将烧杯置于搅拌台上开始匀速搅拌；利用搅拌台的温控功能控制混合液的温度分别为20 ℃、35 ℃、50 ℃和65 ℃，分别采集不同温度条件下混合液pH随0.1 mol/L稀NaOH溶液滴入量的变化数据。

如图3所示，其横坐标为滴入的0.1 mol/L稀NaOH溶液的体积，其纵坐标为混合液的pH。其中，图3中的4条曲线分别代表了不同温度条件下混合液pH随0.1 mol/L稀NaOH溶液滴入量的变化图象。

由图3可以看出，当温度越低时，pH突变点所对应的横坐标的值越大，说明引发缓冲液pH突变所需要的NaOH溶液越多，缓冲液对0.1 mol/L稀NaOH溶液的缓冲能力越强；20 ℃时，缓冲液对0.1 mol/L稀NaOH溶液的缓冲体积达到16 mL，由此说明低温有利于醋酸钠-醋酸缓冲液对稀NaOH溶液的缓冲效果。

6 结语

由醋酸钠-醋酸缓冲液的数字化实验探究结果可以得出，醋酸钠-醋酸缓冲液适用于环境中需要加入碱的稀溶液情况下的缓冲，且缓冲液的pH随稀NaOH溶液的滴入量呈非线性关系，会有一个pH突变点，对应的稀NaOH溶液量为最大缓冲体积。缓冲液中醋酸比例越大，对稀NaOH溶液的缓冲能力越强；温度越低，可以缓冲的碱溶液的量越大，缓冲能力越强；缓冲体积一般不超过缓冲液体积的1/2。

该实验为不同缓冲液缓冲不同种类酸碱的过程研究提供了具体的数字化实验方法，凸显了数字化设备在缓冲液研究方面的优势，具有较高的借鉴价值。同时，该实验对其他较复杂化学反应的过程研究具有指导意义。

参考文献

[1] 王仲莉.数字化实验应用于化学实验教学的思索［J］.云南化工，2024，51（09）：164-167.

[2] 李永发.数字化实验融入中学化学教学策略探究［J］.学周刊，2024（27）：64-66.

[3] 李茂炽，但世辉，段云丽，等.中学化学的数字化实验探索［J］.湖北教育（政务宣传），2024（08）：24-25.

[4] 姚增凤.数字化实验在高中化学教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2024（16）：36.