酸堿滴定的計算機模擬探討論文
酸堿滴定的計算機模擬探討論文
酸堿滴定法是一種常用的容量分析方法,但在實驗室條件下計算酸堿混合體系的pH值和繪制滴定曲線非常繁瑣。以下是學習啦小編為大家精心準備的：酸堿滴定的計算機模擬探討相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!
酸堿滴定的計算機模擬探討全文如下：
摘 要：根據(jù)分析化學的基本原理，建立了酸堿滴定的數(shù)學模型，以Visual Basic 語言為開發(fā)工具，設計了一個模擬酸堿滴定的計算程序，該程序利用二分法求解數(shù)學模型，可計算滴定反應中混合溶液的pH值并繪制酸堿滴定曲線，程序也可計算滴定反應的化學計量點、突越范圍，并為酸堿滴定選擇合適的指示劑以減少滴定誤差并可計算出滴定誤差。程序界面友好、計算精確，通用性強，可應用于各種酸堿滴定及理論教學。
關鍵詞：酸堿滴定;數(shù)學模型，計算機模擬;滴定曲線;二分法
1 前言
酸堿溶液的計算及酸堿滴定曲線的繪制對于判斷酸堿滴定的可行性及選擇合適的指示劑具有重要的意義，但酸堿滴定曲線的繪制特別是多元酸堿滴定曲線的繪制公式推導繁瑣，計算工作量大。目前也有不少研究文獻提出了采用計算機繪制酸堿滴定曲線的方法，文獻[1]提出了利用Excel軟件繪制酸堿滴定曲線的方法，這需要對Excel軟件有較高的操作水平，同時在操作中需要計算和大量的公式輸入，實際運用起來非常繁瑣，文獻[2-5]從不同角度提出了采用編寫程序計算溶液PH值及繪制酸堿滴定曲線及的方法，但一些程序輸入數(shù)據(jù)不便，界面不夠友好，部分程序功能不夠完善，沒有指示劑的選擇及滴定誤差的計算等功能。本文在前人研究的基礎上，借助Microsoft Visual Basic 編程工具，設計了一個程序。該程序可計算滴定過程中溶液的pH值，還可計算滴定的化學計量點、突躍起點及突躍終點，并根據(jù)化學計量點選擇合適的指示劑，程序也可計算出滴定的終點誤差，動態(tài)地繪制出滴定曲線。
2 酸堿滴定的計算原理
對于某一混合酸堿體系，若溶液中n元弱酸HnA的濃度為cHnA，n元弱堿B(OH)n的濃度為cB(OH)n，此外溶液中還有a mol·1-1 的強酸和b mol·1-1的強堿，根據(jù)體系的化學平衡方程和電荷平衡方程，可推導出如下方程，具體推導過程詳見 [6]：
(1)
在式(1)中， 為弱酸的各級解離平衡常數(shù)，
為弱堿的各級解離平衡常數(shù)， 為水的解離平衡常數(shù)。在酸堿滴定過程中，設滴定劑的體積為 ，被滴定溶液的體積為 ， 為滴定劑強酸、強堿的濃度， 為溶液中原有的強酸、強堿的濃度，則由式(1)可導出
(2)
對式(2)用二分法求解，即可求出滴定劑的體積為 時溶液的pH值。
滴定終點的誤差公式計算如下[7]
(3)
式(3)中， 為被測溶液的濃度與體積，c為滴定劑的濃度，Vep為滴定至終點時消耗的滴定劑的體積，m、n為被測組分與滴定劑之間的化學計量數(shù)，式(3)中Vep的計算公式可由式(2)推導如下
(4)
式(4)中， 為滴定終點即指示劑變色時氫離子的濃度，滿足，聯(lián)立式(3)、式(4)即可求出滴定誤差。
酸堿滴定的實質是酸堿溶液的混合，以濃度為 的一元強酸HA滴定濃度為 、體積為 的n元弱堿B(OH)n為例，由式(2)，可得
(5)
第一化學化學計量點時滿足
(6)
定義滴定分數(shù)為 ，可由式(5)和式(6)導出
(7)
對式(7)二分法求解，就可以計算出任意滴定分數(shù)T時的溶液pH值，包括T=1時化學計量點溶液的 pH值，T=0.999時突躍起點溶液的pH值和T=1.001突躍終點時溶液的pH值
對于第m化學計量點，則有
(8)
可知，第m化學計量點時 ，可代入式(7)計算出對應的第m化學計量點的pH值，并且也可計算第m突躍起點即 和第m突躍終點即 時溶液的pH值。
第m化學計量點滴定誤差可由式(3)和式(4)導出
(9)
故若知道了指示劑變色點時的pH值 以及對應的酸堿滴定劑、被滴定溶液的濃度，即可算出滴定終點誤差。
同理，也可由式(2)～(4)導出其它類型的酸堿滴定的pH值計算公式及終點誤差計算公式。
3.酸堿滴定的計算機模擬
3.1 程序計算功能的實現(xiàn)
程序開發(fā)主要采用模塊化編程技術，根據(jù)酸堿滴定的不同類型，定義了三種不同情況下pH值和滴定誤差的計算，即強強型(強酸滴定強酸或強酸滴定強堿)、強弱型(強堿滴定弱酸或強酸滴定弱堿)、弱強型(弱酸滴定強堿或弱堿滴定弱酸)，程序對pH值的計算主要是先建立含有質子濃度的高次方程，然后通過二分法求解方程，畫圖主要采用了line函數(shù)，circle函數(shù)，指示劑的的變色點和顏色變化主要通過程序所建立的數(shù)組予以保存，程序通過計算出化學計量點的pH值，由此尋找數(shù)組中和此pH值最接近的變色點，并由此判斷出合適的指示劑。程序的滴定誤差主要通過式(3)和式(4)進行計算。程序代碼限于篇幅不再提供。
3.2 應用實例
0.1000 mol·L-1 HCL滴定20.00mL 0.1000 mol·L-1 Na2CO3溶液，已知H2CO3的Pka1=6.38，Pka2=10.25，計算各化學計量點的pH值及滴定突躍范圍并選擇合適的指示劑，繪制酸堿滴定曲線。
由分析化學知識可知，Na2CO3為二元弱堿，其Pkb1=14-10.25=3.75，Pkb2=14-6.38=7.62，運行程序，選擇滴定劑為“一元強酸”，被滴定物質為“二元弱堿”，分別輸入相應的濃度及Na2CO3的各級解離平衡常數(shù)，程序主界面如圖1所示，程序運算結果如表1所示。
圖1 酸堿滴定計算程序的主界面
從表1可以看出，程序運算結果和文獻值吻合良好接近，由軟件推薦的指示劑滴定誤差滿足滴定要求。程序繪制的滴定曲線及計算結果如圖2所示。
圖2 0.1000 mol·L-1 HCl滴定0.1000 mol·L-1 Na2CO3的滴定曲線
4 結論
本文利用分析化學知識建立了酸堿滴定的數(shù)學模型，利用VB語言編程工具解決了復雜的酸堿滴定的計算問題。所編寫的程序可用來指導和預測酸堿滴定，判斷酸堿滴定的可行性，繪制酸堿滴定曲線，推薦合適的滴定指示劑;程序界面友好，計算精確，適用范圍廣泛，在理論教學和實際應用中都具有較高的推廣應用價值。
參考文獻
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[3]曹家興，吳開治.多元酸堿滴定常用平衡圖的微計算機繪制[J].化學通報，1991，(9)：59-63.
[4]趙鑫，王殿書，叢培盛，朱仲良.pH精算及酸堿滴定曲線繪制通用軟件的開發(fā)[J].計算機與應用化學，2010，27(2)：257-261.
[5]李靜敏，白郁華，李金龍. 酸堿滴定曲線的計算機顯示[J].計算機與應用化學，2002，19(3)：274-276.
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[7]倪靜安，商少明，翟濱.無機及分析化學教程[M].北京：高等教育出版社，2006.
[8]黃君禮.水分析化學.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.
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