利用氧化还原测定亚硫酸钠含量创新实验电势(ORP)传感器定量

    朱成东 戈益超

    

    

    

    摘要：科技进步对教育教学具有明显的促进作用，许多时候能够起到传统教学难以企及的作用。本文从实验创新的角度出发，基于氧化还原滴定原理，采用酸性高锰酸钾溶液滴定亚硫酸钠溶液并借助氧化还原电势（ORP）传感器获得滴定曲线图，通过数学求导确定滴定终点，从而得到亚硫酸钠质量分数，在教育教学中展示科技的魅力。

    关键词：氧化还原电势（ORP）传感器? 氧化还原滴定? 创新实验

    一、问题提出

    亚硫酸钠由于易被空气中的氧气氧化而变质，实验室往往需要标定其含量。但是采用传统的酸性高锰酸钾溶液滴定亚硫酸钠溶液方法，由于利用过量的酸性高锰酸钾做指示剂，学生总认为过量的高锰酸钾会让实验产生误差。笔者运用现代传感技术，借助氧化还原电势（ORP）传感器显示滴定终点，从而求出质量分数，既得到较准确的实验结果，又可以加深学生对滴定过程中的“突跃”的理解，收到非常好的教学效果。

    二、实验内容及结论

    （一）氧化还原电势（ORP）传感器工作原理

    氧化还原电势（ORP）传感器能够测量溶液中氧化剂的氧化能力或还原剂的还原能力。ORP传感器有两个组件，其一是铂金属，浸在所测溶液中，另一组件为密封的银/氯化银凝胶（用作铂半电池的标准），测量时通过电压放大器呈现出电势差，从而确定该溶液氧化性或还原性的强弱。

    （二）实验滴定原理

    酸性高锰酸钾溶液滴定亚硫酸钠溶液时，当酸性高锰酸钾溶液与亚硫酸钠溶液恰好完全反应时，ORP传感器测得的电势将迅速增加，此时电势的变化最大。我们可以根据氧化还原滴定曲线，通过数据处理，进而计算样品中亚硫酸钠的质量分数。

    （三）实验仪器及药品

    仪器：1.电子天平，250 mL容量瓶，25.00 mL移液管

    2.ORP传感器，滴数传感器，磁力搅拌器

    3.数据采集器（VENIER LabPro），计算机及其相配套的软件（Logger Pro 3）

    药品：1.亚硫酸钠样品

    2.0.1000 mol/L KMnO4（硫酸酸化）标准溶液

    3.除氧蒸馏水

    （四）实验步骤

    1.电子天平称取10.00 g亚硫酸鈉样品，用除氧蒸馏水配成250 mL溶液备用;

    2.实验装置如图1所示，将ORP传感器、滴数传感器分别与数据采集器相连，数据采集器再与计算机相连，之后将磁力搅拌器、小烧杯、ORP传感器、滴定管依次放好，打开Logger Pro 3（软件）;

    3.先用高锰酸钾标准溶液润洗滴定管，装液25.00 mL，排气泡，再用移液管移取25.00 mL亚硫酸钠溶液于小烧杯中，准备滴定;

    4.打开软件中数据采集功能，再打开磁力搅拌器，最后缓慢打开滴定管活塞，让酸性高锰酸钾溶液逐滴滴下，计数器采集数据并自动绘制滴定曲线。

    （四）实验数据及处理

    酸性高锰酸钾溶液滴定亚硫酸钠溶液过程中ORP传感器测量溶液的电势随高锰酸钾溶液体积变化的曲线图如图2（a）所示，利用软件所带的程序对图2（a）中的曲线进行求导，得到一次导数曲线如图2（b）所示。

    说明：滴定过程中，当酸性高锰酸钾溶液滴加到20.00 mL时，ORP传感器测量溶液的电势变化率最快，即图2（b）中的最高点，也是氧化还原反应恰好进行完全的点。

    结论：计算样品中亚硫酸钠质量分数=0.02 L×0.1000 mol·L-1×52×126 g·mol-110.0 g×25 mL250 mL×100%=63.0%。

    三、实验创新点

    1.在氧化还原滴定中，利用ORP传感器测量电势变化，可以不需要指示剂就能准确测量出氧化还原反应恰好完全进行的等量点，从而很好地解决因找不到合适的指示剂而无法进行氧化还原滴定的实验;

    2.与滴数传感器结合使用，准确记录滴加溶液的体积，同时生成图像，再用计算机处理数据，软件（Logger Pro 3）可以自动求导，更容易找到电势随体积变化率最快的点;

    3.酸性高锰酸钾滴定亚硫酸钠溶液过程中，同时通过计算机生成曲线图像，因此可以用四重表征（宏观表征、微观表征、符号表征、曲线表征）来重新理解氧化还原滴定。而滴定过程中溶液变红这一宏观表征与曲线中“突跃”这一曲线表征的完美结合，极大地激发了学生求知的欲望，解决了酸性高锰酸钾作指示剂带来的误差问题，且同时直观地看到“突跃”这一现象，加深学生对“突跃”的理解。