2020年高中化学 专题6 物质的定量分析 课题二 镀锌铁皮锌镀层厚度的测定教学案 苏教版选修6

2020年高中化学 专题6 物质的定量分析 课题二 镀锌铁皮锌镀层厚度的测定教学案 苏教版选修6

课题二　镀锌铁皮锌镀层厚度的测定 ‎　【学考报告】‎ 知识条目 加试要求 ‎①电子天平的使用 ‎②镀锌铁皮锌镀层厚度测定的原理(与酸或碱反应)和操作流程 ‎③实验数据的处理和测定过程中产生误差的原因分析 a b c 一、知识预备 ‎1．锌的电化学腐蚀 锌的化学性质比铁活泼，如果镀锌铁皮的锌镀层被破坏，将在潮湿空气中发生电化学腐蚀，残留的锌镀层作为原电池的负极，锌先被腐蚀。将镀锌铁皮放到酸中时，发生原电池反应，铁皮表面的锌镀层溶解，电极反应式如下：‎ 负极：Zn－2e－===Zn2＋‎ 正极：2H＋＋2e－===H2↑‎ 待锌在酸中完全溶解后，产生氢气的速率显著减慢，可以借此判断锌镀层是否反应完全。‎ 思考1：表面镀锌的铁皮不易生锈，通称铅铁、白铁。镀锌铁为什么不易生锈呢？‎ 提示　①在铁的表面起到保护层的作用。②如果镀层破坏，还可以形成锌铁原电池，铁作正极，利用牺牲阳极的阴极保护法原理，铁受到保护。‎ ‎2．镀锌层厚度的测定 称量与6 mol·L－1盐酸反应前后铁皮的质量(分别为m1、m2)，两者之差就是锌镀层的质量(m1－m2)，则锌镀层的总体积为V＝，式中ρ为锌的密度，一般为‎7.14 g·cm－3。‎ 若已知锌镀层单侧面积为S(可测)，锌镀层单侧厚度为h，则V＝2hS。‎ 由以上两式可得＝2hS，所以h＝。‎ 二、课题方案设计 ‎1．取三块镀锌铁皮(A、B、C，截自同一块镀锌铁皮)，分别量出它们的长度与宽度。‎ ‎2．用电子天平分别称量三块镀锌铁皮(A、B、C)的质量。‎ ‎3．将镀锌铁皮A放入烧杯中，加入40 mL 1∶4稀硫酸。反应时用玻璃棒 - 7 -‎ 小心翻动镀锌铁皮，使铁皮两边锌镀层都充分反应。到反应速率突然减小时(产生气泡的速率变得极慢)，立即将未反应的铁片取出，用自来水冲洗掉附着的酸液。‎ ‎4．将铁片放在石棉网上，用酒精灯小火烘干，冷却后用电子天平称量。‎ ‎5．分别用镀锌铁皮B、C重复进行实验步骤3、4。‎ ‎6．根据实验所得数据，求出镀锌铁皮的锌镀层厚度。‎ 思考2：为何将铁片小火烘干而不能高温烘干？‎ 提示　因铁在高温时易被空气中的氧气氧化。若烘干时温度过高，会有部分铁转化为氧化物而使铁片质量增大，导致实验结果偏小。‎ 点拨一、镀锌铁皮锌镀层厚度的测定方案设计 ‎1．利用电化学腐蚀原理 将一定长度、宽度和质量的镀锌铁片放入6 mol·L－1的盐酸中形成原电池，锌被反应掉，通过观察产生H2的速率判断锌完全溶解，洗净、烘干，用电子天平称其质量，则反应前(m1)与反应后(m2)镀锌铁皮的质量差就是锌镀层的质量(m1－m2)。‎ ‎2．利用锌与铁的性质不同进行测量 锌与铝类似，溶于强碱溶液中Zn＋2NaOH＋2H2O===Na2[Zn(OH)4]＋H2↑，而铁不与强碱反应，通过称量反应前后铁皮的质量，求出两者的质量差，该质量差就是锌镀层的质量。‎ 利用方案1或方案2所求锌镀层的质量求锌镀层的厚度：‎ h＝(ρ—密度，S—表面积)‎ 特别提示　方案1、方案2只是测锌镀层厚度的两种方法，还有几种供师生参考：‎ 方案3：氨水法——利用锌溶于氨水而铁不溶于氨水而设计。‎ 方案4：利用锌的化合物的两性 求出m(Fe)，再推算求出m(Zn)。‎ 点拨二、实验测定的注意事项 ‎1．测定步骤 ‎　↓‎ - 7 -‎ — ‎　↓‎ — ‎　↓‎ — ‎　↓‎ ‎　↓‎ — ‎2．实验注意事项 ‎(1)锌在酸中完全溶解后，产生氢气的速率由快迅速转慢，准确判断锌完全反应是本实验最重要的一环。若判断过早则会使锌未完全溶解；若过迟会使铁部分溶解，都会增加实验误差。‎ ‎(2)为精确测量镀锌铁片反应前后的质量，应使用电子天平。因电子天平属精密仪器，要小心使用防止损坏。‎ ‎(3)电子天平要准确读数：由于电子天平精密度高，稍有影响(比如对着它大声说话)都有可能使它的读数发生变化。所以要等在不受外界影响的情况下，天平显示数据稳定下来后再读数。‎ ‎(4)要及时记录数据：数据对定量分析实验是至关重要的。如果前面有任何一处数据忘记记录，都会使后续实验丧失意义。‎ 点拨三、水果中维生素C含量的测定 ‎1．基本原理 ‎(1)维生素C：‎ ‎①存在：不少蔬菜、水果中含有丰富的维生素C。‎ ‎②结构及性质：维生素C又称抗坏血酸，结构简式为，具有强还原性：在酸性溶液中，维生素C将I2还原为I－，利用这一反应，可以测定果汁中维生素C的含量。‎ ‎(2)测定原理：‎ ‎①用医用维生素C片配制一定浓度a mg·L－1的维生素C标准溶液。向一定体积的维生素标准溶液中滴加稀碘水，用淀粉溶液作指示剂，至加入碘水溶液呈蓝色且半分钟内不褪色为止，记录加入碘水的体积(V1)。‎ - 7 -‎ ‎②在相同体积的果汁中，用淀粉溶液作指示剂，滴加相同浓度的碘水，记录溶液显蓝色且半分钟内不褪色时消耗碘水的体积(V2)。则水果中维生素C的含量为·a。‎ ‎2．实验记录与结论 ‎(1)配制维生素C标准溶液：将5片100 mg的维生素C药片投入盛有50 mL蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒碾压加速溶解，再转移到250 mL容量瓶中，稀释至刻度。‎ ‎(2)准备果汁样品：取50 mL橙汁，过滤后备用。‎ ‎(3)维生素C片中维生素C含量的测定：移取①中所配溶液20 mL于锥形瓶中，加入1 mL 0.1 mol·L－1盐酸，再加1～2 mL淀粉溶液，用0.010 mol·L－1碘水溶液滴定，直到溶液显蓝色且半分钟内不褪色。重复操作两次，记录数据。‎ ‎(4)果汁中维生素C含量的测定：移取②中所配溶液20 mL于锥形瓶中，加入1 mL 0.1 mol·L－1盐酸，再加1～2 mL淀粉溶液，用0.010 mol·L－1碘水溶液滴定，直到溶液显蓝色且半分钟内不褪色。重复操作两次，记录数据。‎ ‎(5)实验数据处理。‎ ‎[典例剖析]‎ ‎“白铁皮”指镀锌的铁皮，具有较强的耐腐蚀性，是生产中常用的金属材料之一。镀锌层犹如铁皮的保护层，这层膜的厚度及均匀度也成了判断镀层质量的重要指标。某研究性学习小组为了测定镀锌铁皮的厚度，设计了下面的实验方案：‎ 方案一：取三块镀锌铁皮(A、B、C，截自同一块镀锌铁皮)，将镀锌铁皮A放入烧杯中，加入40 mL 6 mol·L－1盐酸，反应时用玻璃棒小心翻动镀锌铁皮，待锌镀层反应完全时，立即将未反应的铁皮取出，洗涤、小心烘干、称量。将B、C重复上面的实验。‎ ‎(1)锌镀层完全反应的标志是___________________________________‎ ‎____________________________________________________________。‎ ‎(2)如何检验铁片已经洗净？_____________________________________‎ ‎__________________________________________________________。‎ ‎(3)该小组的实验数据记录及数据处理如下，完成下列表格。(锌的密度为‎7.14 g/cm3)‎ 数据记录 数据处理 镀锌 铁皮 长度 ‎/cm 宽度 ‎/cm 镀锌 铁皮 质量/g 铁皮 质量/g 锌镀层厚度 ‎(单侧)/cm 锌镀层平均 厚度(单侧)‎ ‎/cm A ‎5.00‎ ‎4.90‎ ‎4.460‎ ‎4.313‎ ‎4.201×10－4‎ ‎——‎ - 7 -‎ B ‎5.10‎ ‎5.00‎ ‎4.421‎ ‎4.267‎ ‎4.229×10－4‎ C ‎5.20‎ ‎5.00‎ ‎4.640‎ ‎4.467‎ ‎4.660×10－4‎ 本实验中产生误差的地方可能有哪些？(任意列举两种)‎ ‎_______________________________________________________________、‎ ‎______________________________________________________________。‎ 方案二：已知锌与强碱溶液反应的离子方程式为Zn＋2OH－＋2H2O===[Zn(OH)4]2－＋H2↑。某同学按下图装置设计了测定镀锌铁皮镀层厚度的实验方案，将单侧面积为S cm2、质量为m g的镀锌铁皮放入6 mol·L－1 NaOH溶液中。回答下列问题。‎ ‎(4)装置中导管a的作用是__________________________________________‎ ‎____________________________________________________________。‎ ‎(5)检查气密性，将药品和水装入各仪器中，连接好装置后，需进行的操作还有：①记录C的液面位置；②待B中不再有气体产生并恢复至室温；③由A向B中滴加足量NaOH溶液；④上下移动C，使干燥管和C中液面相平。上述操作的顺序是________(填序号)。‎ ‎(6)实验前后碱式滴定管中液面读数分别为V1 mL、V2 mL(实验条件下的气体摩尔体积为Vm L·mol－1)。则镀锌铁皮的厚度为________cm。(写出数学表达式)‎ 解析　本题考查化学实验的设计、分析与评价。‎ ‎(1)当锌镀层完全反应后就是铁与盐酸反应，前后反应速率不同，产生气泡的速率明显变化。 ‎ ‎(2)从溶液中取出的铁片必然带有盐酸及其盐，当洗净时也就是不再含有盐酸及其盐，所以检验铁片是否洗净就是检验氯离子，也可检验其酸性。‎ ‎(3)由三组所列锌镀层厚度数据来看，第三组数据与另两组有较大差距，应舍去，前两组数据取平均值得4.215×10－‎4 cm；本实验中产生误差的地方可能有：长度和宽度的测量，质量的称量，恰好反应的判断，反应后铁皮的洗涤是否干净、烘干是否彻底等。‎ ‎(4)随着分液漏斗内的液体不断流下，其内部压强变小，不利于液体流下，故a起到平衡气压，保证NaOH溶液能顺利滴下的作用。‎ ‎(5)本实验的关键是测量气体的体积。根据此装置的原理，应两次记录 - 7 -‎ C中的读数，取其差值就是所得气体的体积，所以正确的操作顺序应为④①③②④①。‎ ‎(6)V(H2)＝(V2－V1) mL，n(Zn)＝n(H2)＝(V2－V1)/(1 000·Vm) mol，m(Zn)＝‎65 g·mol－1×n(Zn)，锌的密度是‎7.14 g·cm－3，V(Zn)＝，由于铁片表面有上、下两层，所以每一层的厚度h＝，代入即得答案。‎ 答案　(1)产生气泡的速率突然减小 ‎(2)取最后一次洗涤液，加入AgNO3溶液，若无白色沉淀生成，则铁片已洗净(或用玻璃棒蘸取最后一次洗涤液，滴在蓝色石蕊试纸上，若不变红色，则铁片已洗净)‎ ‎(3)4.215×10－4　镀锌铁皮长、宽测量；反应前后铁皮质量称量；终点判断；反应后铁皮洗涤；铁皮烘干程度(任选两个作答即可)‎ ‎(4)使分液漏斗和锥形瓶内气压相同，以便于NaOH溶液能顺利滴下 ‎(5)④①③②④①‎ ‎(6)h＝ ‎[跟踪训练]‎ 某同学为探究不同水果中维生素C的含量，根据维生素C的水溶液能够使高锰酸钾溶液褪色的原理，自己设计了如下实验：‎ ‎①用榨汁机分别榨出水果甲和水果乙的汁液A和汁液B；‎ ‎②将两种新鲜的汁液分别倒入两个洁净、干燥的小烧杯中；‎ ‎③取2支洁净、干燥的小试管，分别注入汁液A和汁液B各1毫升；‎ ‎④取2支滴管，分别吸取较浓的高锰酸钾溶液逐滴地滴入2支小试管中，边滴、边振荡、边观察，直至高锰酸钾溶液的颜色不能褪去时为止，记录此时所用高锰酸钾溶液的滴数。‎ 请分析作答：‎ ‎(1)不同滴管的一滴试剂的体积是不同的，因此实验步骤________有可能增大实验误差，为了便于准确地比较，应当__________________________________。‎ ‎(2)按修正后的实验步骤操作，如果滴入汁液A中的高锰酸钾溶液滴数比滴入汁液B中的多，则水果甲中维生素C的含量比水果乙中的________________。 ‎ ‎(3)修正后的实验方案与课本上的相比，创新之处是__________________‎ ‎______________________________________________________________。 ‎ ‎(4)写出一种维生素C含量较高的水果或蔬菜：_____________________。 ‎ - 7 -‎ 解析　(1)本实验是通过滴入高锰酸钾的滴数来确定维生素C含量的高低，所以要求每一滴的量要相等，不然就没有可比性了，因此④是不准确的，不能选择不同的滴管，有可能会增加实验误差，应该使用同一支滴管来做实验。‎ ‎(2)高锰酸钾溶液的颜色是紫色，维生素C可以使高锰酸钾溶液褪色，在试管中加入等量的水果汁，再滴加高锰酸钾溶液，滴入得越少，说明水果汁中含的维生素C越低，反之越高。‎ ‎(3)课本上是先向试管中加入等量的高锰酸钾溶液，再加水果汁。改进以后，先加等量的水果汁，再向其中滴高锰酸钾溶液，使操作更简便。‎ ‎(4)维生素C含量较高的水果或蔬菜有猕猴桃，其次是橙子、橘子，还有黄瓜、西红柿等。‎ 答案　(1)④　使用同一(支)滴管吸取高锰酸钾 ‎(2)多 ‎(3)先加等量的水果汁，再向其中滴高锰酸钾溶液(使操作更简便)‎ ‎(4)猕猴桃(其他合理答案均可)‎ - 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