Excel在分析化学多媒体教学中的应用*——以滴定曲线讲解为例

伍 涛,吴 湘,童艳花

(湖州师范学院生命科学院,浙江湖州313000)

Excel在分析化学多媒体教学中的应用*
——以滴定曲线讲解为例

伍 涛,吴 湘,童艳花

(湖州师范学院生命科学院,浙江湖州313000)

采用Excel软件用于各类滴定曲线的计算和绘制,介绍了酸碱滴定、配位滴定和氧化还原滴定分析中,滴定过程的不同阶段所采用的计算公式,并用实例介绍了Excel的计算过程、绘图方法和结果.由上可见,用Excel软件分析滴定过程,处理滴定数据,条理清楚,形象直观,是分析化学多媒体教学的有力工具.

Excel;分析化学;滴定曲线

分析化学是定量的化学,数据处理是其中非常重要的部分.教学内容上也涉及较多的数学公式,计算量大.特别是滴定曲线的教学,涉及多个章节,传统的板书教学会讲得非常费力,教师不可能将所需的图表和曲线都画在黑板上,由于缺乏直观形象的参考,滴定曲线的形态描述就变得抽象而模糊,学生也很难跟上教师的思路[1～3].Excel是功能强大的电子表格软件,能够进行数据管理、数据分析、图形图标处理及编程,还提供函数库进行较复杂的计算[4].在化学、化工实验教学及科学研究中,有大量具有个性化的实验需要专业人员采用某些软件来处理实验数据.现代教育越来越重视大学生的素质和综合能力的培养[5].为了提高学生综合处理分析数据的能力,分析化学多媒体教学采用Excel软件处理教学过程中涉及的各类计算.下面分别介绍Excel软件在各类滴定曲线中的具体应用.

1 酸碱滴定

利用Excel软件的绘图功能绘制酸碱滴定曲线,即反应混合液的p H值随滴定剂加入体积的变化而不断变化的曲线.利用该软件的绘图功能,给学生展示教材中绘制好的滴定曲线的计算依据和绘制方法,使学生更能深刻地了解概念及其原理.

1.1 一元强碱滴定一元强酸

强碱滴定强酸过程经历了3个阶段:酸性溶液、中性溶液及碱性溶液.计算公式分别为:

式中:ca为酸的摩尔浓度(mol/L);cb为碱的摩尔浓度(mol/L);Va为酸的体积(ml);Vb为碱的体积(m L).

例 0.100 0 mol/L NaOH溶液滴定20.00 m L 0.100 0 mol/L HCl溶液,计算并画出滴定曲线.

Excel计算过程如下:

(1)双击Microsoft Excel软件,进入数据表工作状态.在Excel表格中添加列,输入相关字段名称,并在相应栏填上数字.

(2)在p H一栏中键入“=”号,化学计量点前和化学计量点,输入公式(1),化学计量点后,输入公式(2).

NaOH滴定HCl的计算结果见表1.

表1 NaOH滴定HCl的计算结果Table 1 The calculated results for the titration of NaOH to HCl

Excel画图过程如下:

点击Excel的图表向导,选择散点图,以Na OH体积列为X轴、p H列为Y轴绘制曲线(见图1).

图1 NaOH滴定HCl的滴定曲线Fig. 1 The titration curve of NaOH to HCl

1.2 一元强碱滴定一元弱酸

用0.100 0 mol·L-1Na OH溶液滴定20.00 m L 0.100 0 mol·L-1HAc溶液.强碱滴定弱酸过程经历了4个阶段:HAc弱酸、HAc-Na Ac缓冲溶液、生成HAc的共轭碱Na Ac(弱碱)和混合碱液Na Ac-NaOH.计算公式分别为:

Excel计算过程如下:

(1)在Excel表格中添加列,输入相关字段名称,并在相应栏填上数字.

(2)在p H一栏中键入“=”号,在滴定开始前,输入公式(3),化学计量点前,输入公式(4),化学计量点,输入公式(5),化学计量点后,输入公式(6).

NaOH滴定HAc的计算结果见表2.

表2 NaOH滴定HAc的计算结果Table 2 The calculated results for the titration of NaOH to HAc

Excel画图过程如下:

点击Excel的图表向导,选择散点图,以Na OH体积列为X轴、p H列为Y轴绘制曲线(见图2).

图2 NaOH滴定HAc的滴定曲线Fig. 2 The titration curve of NaOH to HAc

2 配位滴定

采用Excel软件绘制EDTA酸效应系数曲线图和EDTA滴定曲线图,包括绘制aY(H)随p H值变化的曲线.通过计算aY(H)与[H+]的对应关系画出lg aY(H)vs.p H的酸效应曲线图.此外,通过EDTA滴定Zn2+,了解滴定过程中[Zn2+]浓度的计算公式,并绘制滴定曲线.

2.1 EDTA的酸效应系数方程EDTA的酸效应系数方程:

式中:累积质子化常数b1～b6分别为1010.26、1016.42、1019.09、1021.09、1023.5、1024.4.

Excel计算过程如下:

(1)在Excel表格中添加列,输入相关字段名称,并在相应栏填上数字.

(2)在aY(H)一栏中键入“=”号,输入公式(7).

(3)在lg aY(H)一栏中,对aY(H)取对数;p H值一栏的计算公式为:

EDTA的酸效应系数计算结果见表3.

表3 EDTA的酸效应系数计算结果Table 3 The results of acidic effective coefficient of EDTA

Excel画图过程如下:

点击Excel的图表向导,选择散点图,以lg aY(H)列为X轴、p H列为Y轴绘制曲线(见图3).

图3 EDTA的酸效应系数曲线图3 The acidic effective coeffiicient curve of EDTA

2.2 EDTA滴定曲线

EDTA滴定相同浓度金属离子经历了4个阶段.计算公式分别为:

式中:CM为金属离子的摩尔浓度(mol/L);cY为EDTA的摩尔浓度(mol/L);VM为金属离子的体积(m L);VY为EDTA的体积(m L).

例 在p H=9.00的氨性缓冲溶液中,以0.020 00 mol/L EDTA标准溶液滴定体积为VZn=20.00 m L等浓度的Zn2+,在计量点附近游离氨的浓度为0.10 mol/L.已知lg aZn=5.10,lg KMY′=10.12,计算并绘制滴定曲线

Excel计算过程如下:

(1)在Excel表格中添加列,输入相关字段名称,并在相应栏填上数字.

(2)在p H中键入“=”号,在滴定开始前,输入公式(9),化学计量点前,输入公式(10),化学计量点,输入公式(11),化学计量点后,输入公式(12).

EDTA滴定Zn2+的计算结果见表4.

表4 EDTA滴定Zn2+的计算结果Table 4 The calculated results for the titration of EDTA to Zn2+

Excel画图过程如下:

点击Excel的图表向导,选择散点图,以EDTA体积列为X轴、p[Zn′]列为Y轴绘制曲线(见图4).

图4 EDTA的滴定曲线Fig. 4 The titration curve of EDTA

3 氧化还原滴定

对于可逆对称反应,

例 0.100 0 mol/L Ce(SO4)2溶液滴定0.100 0 mol/L Fe2+的酸性溶液(1.0 mol/L硫酸).滴定反应为:

该氧化还原反应分为3个步骤.计算公式如下:

Excel计算过程如下:

(1)在Excel表格中添加列,并输入相关字段名称,并在相应栏填上数字.

(2)在电极电位φ/V一栏中键入“=”号,化学计量点前,输入公式(13),化学计量点,输入公式(14),化学计量点后,输入公式(15).

表5 Ce(SO4)2滴定Fe2+的计算结果Table 5 The calculated results for the titration of Ce(SO4)2to Fe2+

Excel画图过程如下:

点击Excel的图表向导,选择散点图,以加入Ce(IV)的量100%列为X轴、电极电势列为Y轴绘制曲线(见图5).

图5 Ce(SO4)2滴定 Fe 2的+曲线Fig. 5 The titration curve of Ce( SO4)2to Fe 2+

由以上例子看出,当计算公式复杂、计算量大时,Excel软件条理清楚,计算简单,形象且直观.通过布置作业的方式让学生用Excel软件进行计算和作图,在一系列输入具体数据和进行计算的过程中,学生更能深刻地了解概念及其原理,对滴定曲线的变化有感性认识,使教学内容更形象、更生动,培养大学生将计算机知识应用到化学学科中,促进教学改革的进程.

[1]岳宣峰,张延妮,卢樱,等.Excel软件在酸碱滴定分析教学中的应用[J].计算机与应用化学,2007,23(11):1 153-1 155.

[2]王长发.Excel在分析化学教学中应用的两个实例[J].大学化学,2008,23(4):51-54.

[3]孟金贤.用Excel处理分析化学滴定实验数据和自动判分[J].延边大学学报(自然科学版),2009,34(4):279-282.

[4]郭祥群.Microsoft Excel在本科分析化学实验教学中的应用[J].大学化学,1999,14(6):36-38.

[5]陈时洪,梁大明,王冬梅,等.大类招生下非化学专业《分析化学》课程分类教学模式探索[J].西南师范大学学报(自然科学版),2012,37(3):151-156.

The Application of Excel Software in the Multimedia Teaching of Analytical Chemistry:Titration Curves

WU Tao,WU Xiang,TONG Yanhua
(School of Life Science,Huzhou University,Huzhou 313000,China)

Excel software was used in calculating and drawing of many titration curves.The formulas of acid-base,complexometric and redox titration were introduced corresponding to each step.The calculation procedure,the method of drawing and the results were explained by means of examples.From the above,we can see that Excel software is a powerful instrument in the multimedia teaching of analytical chemistry because of the simplicity,intuition and usability.

Excel;analytical chemistry;titration curves

TQ015.9

A

10091734(2015)08009507

[责任编辑 吴志慧]

2015-04-30

湖州师范学院2015年教学改革项目研究成果(JGB015).

伍涛,副教授,研究方向:环境放射化学.Email:twu@hutc.zj.cn