【原创】《中和反应实验中氢氧化钠溶液最佳溶质质量分数的探究》
《九年级化学下册》（沪教版）第48页“活动与探究”栏目设置中和反应的实验，该实验未明确说明氢氧化钠溶液的溶质质量分数。实验中所使用的酚酞是一种弱有机酸，在pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构，当pH＞8.2时为红色的醌式结构。酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中很不稳定，它会慢慢地转化成无色羧酸盐式；遇到较浓的碱液，会立即转变成无色的羧酸盐式。
多次实验发现：若氢氧化钠溶液的溶质质量分数太大，会导致加入的酚酞先变红后褪色；且溶质质量分数越大，酚酞褪色的时间越短。若溶质质量分数太小，会造成中和反应放出的热量少，造成溶液温度变化不明显的结果，影响实验的有效性。尤其条件较差的农村学校，缺乏温度传感器[1]，只能通过温度计测量，不仅实验耗时较长，而且热量散失更多，温度变化更不明显。由于该探究活动还要求判断氢氧化钠和盐酸的过量问题，实验过程中若氢氧化钠溶液和盐酸的质量分数接近则只需通过反滴氢氧化钠溶液或者稀盐酸就会产生显著的实验效益。因而，探究中和反应过程中氢氧化钠与盐酸的最佳质量分数具有重要意义。
一、 仪器和药品
药品：氢氧化钠固体、浓盐酸、无色酚酞试剂
仪器：25 mL小烧杯若干、玻璃棒、温度计、胶头滴管、秒表
二、 结果与讨论
1. 探究氢氧化溶液的溶质质量分数与酚酞褪色时间的关系
在25 mL烧杯中分别加入5 mL溶质质量分数为10%、9%、8%、7%、6%、5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%的氢氧化钠溶液，各滴入2滴无色酚酞，测量酚酞褪色到基本不变色所需要的时间，结果如表1
表1 氢氧化溶液的溶质质量分数与酚酞褪色时间的关系
氢氧化钠的质量分数（%）
10
9
8
7
6
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
酚酞褪色时间（s） 褪色后呈现的颜色
40 45 60 95 150 200 260 300 320 360 400 480 600以上
无色 极淡的红色 较淡的红色 明显的红色
实验表明，氢氧化钠溶液的溶质质量分数越大，酚酞褪色得越快。溶质质量分数大于8%，酚酞快速褪至无色；溶质质量分数在5%-7.5%时，酚酞虽会褪色，但可见极淡的红色；氢氧化钠的溶质质量分数在4.5%-3%时，酚酞褪色后可见较淡的红色；氢氧化钠的溶质质量分数小于2.5%时，酚酞虽部分褪色，但可见明显的红色。
酚酞的醌式或醌式酸盐转化成无色羧酸盐式的过程是一个可逆的反应过程，当溶液的酸碱度发生改变时，平衡会发生移动。中和反应过程中随着盐酸的加入，酚酞在碱性条件下呈现的红色会随氢氧化钠的不断消耗而逐渐加深。因此，酚酞的褪色对该反应的影响不大，会随着反应的进行而再次呈红色，最终因中和反应的结束，溶液会由红色变回无色。
在初中阶段，为了让学生获得更直观的感性认识，若教师演示实验，一般可在3-5分钟内完成，而该段时间内酚酞并未完全褪色，故氢氧化钠的质量分数可控制在1%-6%；若学生分组实验，一般需要8-10分钟，应该控制酚酞褪色后显现的颜色为较淡的红色和明显的红色，即氢氧化钠溶液的溶质质量分数为1%-4.5%。
2. 探究氢氧化溶液的溶质质量分数与反应放热的关系
在25 mL烧杯中各加入5 mL溶质质量分数分别为6%、5.5%、5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1%的氢氧化钠溶液，各滴入2滴酚酞，测量溶液的温度；再分别往溶液中逐滴滴加溶质质量分数为6%、5.5%、5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1%的盐酸至溶液红色恰好褪去，测量此时溶液的温度，计算出溶液温度升高的情况。
表2 氢氧化溶液的溶质质量分数与反应放热（温度升高）的关系
氢氧化钠和盐酸的溶
6
质质量分数（%） 温度升高（℃）
6.9 6.6 6 5.6 5 4.6 4 3.3 2.5 1
5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5
2
1
实验表明，氢氧化钠与盐酸的溶质质量分数越大，反应放热越多，温度变化越大。氢氧化钠和盐酸的溶质质量分数为小于2%时，温度变化不明显，无法用手直接感觉放热现象，需借助于温度计，才能得出中和反应放热的结论。当氢氧化钠和盐酸的溶质质量分数等于或大于3%时，温度变化可达到4℃以上，且中和反应的实验一般在每年3~4月进行，环境温度的影响足以用手明显感受到烧杯外壁的温度变化。
综上所述，若实验由教师演示，一般可在3-5分钟内完成，因此氢氧化钠的质量分数可控制在4%-7%，不仅酚酞褪色对实验的影响不大，而且可直接用手感受中和反应的放热现象，从而减少用温度计测量带来的课堂时间浪费，提高课堂效率。若为学生分组实验，学生的操作一般需要8-10分钟，氢氧化钠溶液的质量分数最好控制在4.5%以下，学生才不至于受到酚酞褪色的干扰，但要使温度变化较明显，其质量分数最好不低于3%，因此学生分组实验时氢氧化钠的质量分数可控制在3%-4.5%。
三、 实验建议
第一，教科书中应该明确指出中和反应中氢氧化钠和盐酸较理想的质量分数（教师演示实验6%左右，学生分组实验4%左右），如此学生可不必用温度计测量温度，直接用手感知温度的升高，这样可以使实验过程更为简洁，从而节约课堂时间，提高课堂效率，并能取得较好的实验效果。
【原创】《中和反应实验中氢氧化钠溶液最佳溶质质量分数的探究》
