三種傳感器多重表征探究氯水反應的可逆性

周美華+后勇軍

摘要：在避光條件下和光照條件下，從氯水反應的反應物、生成物角度，利用pH、 O2和色度傳感器多重表征來探究氯氣與水反應的可逆性。

關鍵詞：氯氣與水反應；傳感器；可逆性

文章編號：1008-0546（2016）10-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.032

一、問題提出

氯氣與水的反應是高中化學必修內容，人教版必修一和二兩本教材對該知識點的呈現存在兩種形式[1]，人教版必修一第四章第二節中關于氯水反應的化學方程式是用“”連接的[2]，但在必修二第二章中的“反應速率”一節中介紹可逆反應時，卻直接舉例氯水的反應是可逆的[3]，并未給出任何講解說明。關于氯水反應的可逆性，教材缺乏過渡性銜接，該知識點在實際教學中又是難點[4]，為了幫助學生直觀形象地建構知識，筆者擬從氯水反應的反應物、生成物角度，利用pH、O2和色度傳感器多重表征來探究其可逆性。

二、實驗儀器及試劑

試劑：氯氣、飽和NaCl溶液、NaCl（固）、H2O、NaOH溶液。

儀器：pH傳感器、O2傳感器、色度傳感器、數據采集器、磁力攪拌器、錐形瓶、分液漏斗、三頸瓶、燃燒匙、燒杯、滴管、藥匙、深色布塊等。

三、實驗步驟及圖像分析

實驗1：避光條件下，氯氣通入水中后加入固體氯化鈉的pH變化

（1）按圖1所示裝置組裝儀器，三頸瓶中加入150mL的水，燃燒匙中加入少量NaCl（固），連接好用pH傳感器，用深色布塊遮蓋三頸瓶遮光。

（2）開啟磁力攪拌器，打開分液漏斗活塞，滴加飽和氯化鈉溶液，排出氯氣，通入三頸瓶中與水反應，點擊數據采集，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖2所示。

（3）當曲線下降至基本不變時，關閉活塞停止通入氯氣。保持遮光，旋轉燃燒匙加入固體氯化鈉，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖3所示。

圖象分析：

如圖2，開始通入氯氣一段時間后，pH下降至幾乎不再改變，pH曲線進入平臺，形成飽和溶液。驗證了氯氣和水反應生成了酸，即Cl2+H2OHCl+HClO，離子方程式為Cl2+H2OH++Cl-+HClO。飽和氯水為黃綠色，說明此時氯氣并未完全反應，反應是可逆的。如圖3，停止通入氯氣后，向溶液中加入固體NaCl，隨著NaCl的溶解，pH出現增大趨勢，說明Cl-濃度的增大導致了H+濃度在減少，發生了離子反應：H++Cl-+ HClOCl2+H2O，即HCl+HClOCl2+H2O，氯水反應是可逆的。

實驗2：光照氯水的pH、O2、色度的變化

（1）按圖4所示裝置組裝儀器，三頸瓶中加入150mL的水，連接好用pH和O2傳感器，用深色布塊遮蓋三頸瓶遮光。

（2）開啟磁力攪拌器，打開分液漏斗活塞，滴加飽和氯化鈉溶液，排出氯氣，通入三頸瓶中與水反應，點擊pH數據采集，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖5所示。

（3）當曲線下降至基本不變時，關閉活塞停止通入氯氣。取少量氯水樣品留用。保持密閉，點擊pH、O2數據采集，摘除深色布塊，光照三頸瓶，觀察O2、pH曲線變化，變化趨勢如圖6所示。

（4）按圖7所示裝置，開啟色度傳感器準備采集數據，選擇波長460nm并較準。向取樣瓶中滴加氯水樣品至3/4體積，迅速蓋上瓶蓋放入傳感器中，關閉上蓋，點擊開始采集，觀察色度吸收率變化，變化趨勢如圖8所示。

圖5所示趨勢表明，開始通入氯氣一段時間后，pH下降至幾乎不再改變，pH曲線進入平臺，形成了飽和氯水。觀察圖7發現，光照飽和氯水時 O2的百分含量增大，說明了光照時次氯酸發生了分解，pH減小、H+濃度增大。觀察圖8發現，光照飽和氯水時溶液的吸收率在減小，即氯氣溶解減少，觀察取樣瓶中的氯水也可發現溶液顏色明顯變淺。

結合pH、O2和色度圖可知，由于HClO發生分解，使氯水反應平衡向正向移動，離子反應：Cl2+H2O H++Cl-+HClO，證明氯水反應是可逆的。

四、實驗結論

利用三種傳感器，通過避光條件下在飽和氯水中溶解NaCl的pH監測和在光照條件下飽和氯水的pH、O2和色度吸收率圖像對照分析，將傳統實驗的宏觀現象表征和數字化傳感器的曲線表征相結合得出氯水反應的可逆性的符號表征：Cl2+H2OHCl+ HClO，其離子反應為：Cl2+H2OH++Cl-+HClO 。在實際的課堂教學中，根據學生的實際情況，在必修1、2和選修4化學平衡移動的學習中，可以選擇上述不同的呈現形式進行展示，該組實驗現象明顯，具有可操作性，可以激發學生學習興趣，增強實驗的探究性，教學效果好。

五、實驗注意事項

1.新制飽和氯水時需用深色布塊嚴密遮光。

2.O2傳感器使用需裝置密閉。

3.光照可選用自然陽光或手機光照射。

4.利用飽和食鹽水排氯氣是為了得到氣流穩定的氯氣。

5.實驗中要控制氯氣的量和少量尾氣的吸收。

參考文獻

[1] 張映明.氯氣與水的歧化反應是可逆反應[J].化學教學，2015（2）：91

[2] 人民教育出版社課程教材研究所. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：83-84

[3] 人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書·化學2（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：51

[4] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003