利用傳感技術(shù)探究次氯酸光照分解的實(shí)驗(yàn)

朱衛(wèi)華

利用傳感技術(shù)探究次氯酸光照分解的實(shí)驗(yàn)

朱衛(wèi)華

（無錫市第一中學(xué)江蘇無錫214031）

采用傳感技術(shù)，通過pH傳感器和導(dǎo)電率傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測次氯酸光照分解過程中溶液的pH和導(dǎo)電率，借助計(jì)算機(jī)直接繪制出相應(yīng)的變化曲線，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算，對次氯酸光照分解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步研究。

傳感技術(shù)；氯水；次氯酸；光照分解

一、問題的提出

氯水中的次氯酸不穩(wěn)定，容易分解放出氧氣，在陽光的照射下，次氯酸分解加快。傳統(tǒng)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以在圓底燒瓶中裝滿氯水，將燒瓶倒放在裝有水的水槽中，用光線照射，在燒瓶中收集到氧氣。該實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象所需的時(shí)間較長，一般要十天左右，所以教材中一般沒有這個(gè)實(shí)驗(yàn)。全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修）《化學(xué)》第一冊中只是在正文旁邊放了一張?jiān)搶?shí)驗(yàn)的裝置示意圖（圖1），而如今的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書，不管是蘇教版、人教版還是魯科版，連這張圖都沒有，直接是作為一個(gè)信息告訴學(xué)生讓學(xué)生記憶，很難讓學(xué)生直觀地感受次氯酸光照分解的過程。

圖1 氯水受光照的實(shí)驗(yàn)

在多年的教學(xué)過程中，筆者也感覺到要想做好這一實(shí)驗(yàn)有時(shí)間長、現(xiàn)象不明顯、合適的光源難找等較多的難點(diǎn)。而傳感技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)直接監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中曲線的變化，不同的傳感器能夠檢測傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段無法檢測的物理量，有力地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的不足。由于氯水中的次氯酸光照分解生成鹽酸，溶液的pH會(huì)降低、導(dǎo)電率會(huì)增強(qiáng)，所以我們嘗試?yán)胮H傳感器和導(dǎo)電率傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測光照條件下氯水的pH和導(dǎo)電率的變化，通過相應(yīng)的曲線引起學(xué)生的思考，進(jìn)而探索出分解的產(chǎn)物。

二、實(shí)驗(yàn)過程

所需用到的儀器與用品有：pH傳感器（pHBTA）、導(dǎo)電率傳感器（C0N-BTA）、數(shù)據(jù)采集器（VENIERLabPro）、計(jì)算機(jī)及其相配套的軟件（Logger Pro）、大功率冷光源臺(tái)燈、燒杯、氯水。

1.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)三者相連接。

（2）在燒杯中加入少量氯水，插入pH傳感器，打開臺(tái)燈光照氯水，對氯水的pH變化進(jìn)行測定。

（3）組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將導(dǎo)電率傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)三者相連接。

（4）在燒杯中加入少量氯水，插入導(dǎo)電率傳感器，打開臺(tái)燈光照氯水，對氯水的導(dǎo)電率變化進(jìn)行測定。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄

表1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖2 反應(yīng)過程中的pH變化示意圖

圖3 反應(yīng)過程中導(dǎo)電率變化示意圖

4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和理論計(jì)算

圖2和圖3中顯示，氯水光照的過程中，pH不斷降低，導(dǎo)電率不斷增強(qiáng)，這說明次氯酸見光分解產(chǎn)生了強(qiáng)酸，學(xué)生會(huì)聯(lián)想到光照分解的產(chǎn)物——鹽酸以及氧氣。實(shí)驗(yàn)起始時(shí)pH和導(dǎo)電率變化很快，后來較慢，與次氯酸的濃度變化有關(guān)。隨著次氯酸的分解，次氯酸的濃度不斷降低，分解速率就不斷減慢。

氯氣溶于水，1L水溶解2L氯氣達(dá)到飽和，粗略計(jì)算氯水的物質(zhì)的量濃度是0.0921mol/L。但是氯氣溶于水會(huì)跟水發(fā)生反應(yīng)，并很快達(dá)到平衡：

此反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=4.2×10-4，由此計(jì)算各物質(zhì)的平衡濃度：

c（Cl2）=0.062mol/L

c（HCl0）=0.030mol/L

c（HCl）=0.030mol/L

考慮到HCl0的電離平衡常數(shù)較小（查閱文獻(xiàn)4為3.0×10-8），所以HCl0電離出的H+可以忽略，由此可以求出飽和氯水的pH為1.52。但是，氯氣溶于水需要較長的時(shí)間才能達(dá)到飽和，而且濃度越大的氯水，氯氣的擴(kuò)散越慢，氯氣的溶解能力越差。因此通常所用的氯水實(shí)際上是不飽和的，各成分的實(shí)際濃度比上面的理論值要低。比如：圖2顯示，實(shí)驗(yàn)前氯水的pH約為1.72左右。

通過采集的數(shù)據(jù)，可以估算出次氯酸的分解率。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)氯水的pH為1.72，c（H+）=0.01905mol/L，忽略HCl0的電離，c（HCl）=0.01905mol/L，則此時(shí)的c（HCl0）=0.01905mol/L；實(shí)驗(yàn)開始后，pH減小，c（H+）增大，新增的H+就是HCl0分解產(chǎn)生的。由此可以計(jì)算出次氯酸的分解率（見表2）。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，光照少量的氯水，80分鐘后次氯酸幾乎全分解，40分鐘就能分解了一大半，在圖像上已經(jīng)能清楚地看到pH的變化，可用于課堂演示使用。至于導(dǎo)電率的變化，10分鐘左右就能看到明顯的變化，更有力地說明了次氯酸的分解。

表2 次氯酸的分解率

三、實(shí)驗(yàn)后的反思

新制的飽和氯水不適合做氯水的光分解實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樾轮频穆人校葰夂退姆磻?yīng)并不充分，次氯酸的數(shù)量小、濃度低。可以把新制的飽和氯水，在暗處放置1-2周（10天左右）之后，再把它用來做氯水的光分解實(shí)驗(yàn)，效果就要好一點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)主要探究次氯酸光分解的產(chǎn)物，采用pH傳感器和導(dǎo)電率傳感器跟蹤其隨時(shí)間的變化，可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間太長、現(xiàn)象不明顯的缺陷。其他實(shí)驗(yàn)如果也存在類似的難點(diǎn)，也可以考慮采用傳感技術(shù)，檢測出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法檢測的物理量，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

盡管本實(shí)驗(yàn)取得了不錯(cuò)的效果，但仍存在實(shí)驗(yàn)過程中敞開體系可能有污染、尋找恰當(dāng)?shù)墓庠词箤?shí)驗(yàn)效果更明顯等問題，將在以后的研究中繼續(xù)不斷的探索。

［1］人教社化學(xué)室.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修）化學(xué)（第一冊）［M］.北京：人民教育出版社，2003：66

［2］王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)1（必修）［M］.南京：江蘇教育出版社，2009：43

［3］劉懷樂.中學(xué)化學(xué)教學(xué)思維［M］.重慶：重慶出版社，2009：176-179

［4］北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室等.無機(jī)化學(xué)（上冊）［M］.北京：高等教育出版社，2002：409

1008-0546（2013）11-0087-02

G632.41

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.11.034