借助傳感器探究強酸強堿對過氧化氫氧化性的影響

吳曉紅 徐建菊

摘要： 過氧化氫既有氧化性又有還原性，且氧化還原性的強弱與體系酸堿性有關。借助氧化還原電勢（ORP）傳感器和pH傳感器探究強酸、強堿對過氧化氫氧化性的影響。實驗發現，加pH=14.00的氫氧化鈉溶液，調節體系pH約9.83時，過氧化氫會顯示較弱的氧化性；加pH=1.00的硫酸溶液，調節體系pH約1.26時，過氧化氫會顯示較強的氧化性。

關鍵詞： 過氧化氫溶液； 氧化性； ORP傳感器； pH傳感器； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）7-0082-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

過氧化氫又名雙氧水，既有氧化性又有還原性，在高中化學學習氧化還原反應時，過氧化氫扮演著雙重身份，既是氧化劑又是還原劑[1]。當遇到較強的氧化劑時，過氧化氫體現還原性，當遇到較強的還原劑時，過氧化氫體現氧化性。通過改變過氧化氫溶液的pH，會改變其氧化性強弱，根據實驗實際情況，一般通過加入強酸溶液如稀硫酸等來增強其氧化性，或通過加入強堿如氫氧化鈉溶液等來減弱其氧化性[2]。但是對于“滴加強酸溶液和強堿溶液來調節體系的pH在一定范圍內時，過氧化氫氧化性變化情況”并無相關說明，基于此，借助氧化還原電勢（ORP）傳感器和pH傳感器設計了實驗，尋找過氧化氫溶液氧化性與體系pH的變化關系，為相關研究提供參考。

2 實驗內容

2.1 實驗原理

過氧化氫是一種極弱的酸（H2O2H++HO -2），既是氧化劑又是還原劑。258K時，酸性條件下半反應為： H2O2+2H++2e-2H2O，對應的標準電極電勢為+1.776V。堿性條件下半反應為： HO -2+H2O+2e-3OH-，對應的標準電極電勢為-0.245V[3]。標準電極電勢的大小表示氧化型物質或還原型物質得電子或失電子能力強弱，值越大說明得電子能力越強，氧化性越強，反之，得電子能力越弱，氧化性越弱[4]。

威尼爾ORP傳感器能夠測量在-450至+1100毫伏范圍內的氧化還原電勢。這范圍內數值越趨向正數區域，說明對應物質氧化性越強，反之接近范圍內負數區域的讀數表明還原性越強，氧化性減弱，借助ORP傳感器測量數值可判斷待測物質氧化性、還原性的強弱及變化情況。

2.2 實驗藥品與儀器

藥品： 過氧化氫溶液（30%）、蒸餾水、氫氧化鈉固體、濃硫酸

儀器： 磁力攪拌器附帶小磁子、夾子、燒杯（250mL）、量筒（50mL）、玻璃棒、氧化還原電勢（ORP）傳感器、pH傳感器、滴定管（與滴數傳感器配套）、數據采集器、USB線、計算機及配套軟件、origin7.5軟件

2.3 實驗步驟

2.3.1 準備試劑

在燒杯中加適量的蒸餾水，取適量的氫氧化鈉固體于燒杯中，攪拌冷卻后，用pH傳感器測試，調至pH=14.00的氫氧化鈉溶液100mL待用。同理，用pH傳感器調至pH=1.00的硫酸溶液100mL待用。

2.3.2 組裝儀器

如圖1所示組裝好儀器，提前調好滴定管的滴速（約2d/s），調整好ORP傳感器和pH傳感器的位置，防止開動磁力攪拌器磁子與之碰撞，同時，保證兩傳感器下端探頭浸沒溶液。檢查USB數據線與計算機和數據采集器是否連接好、傳感器是否與數據采集器連接無誤。

2.3.3 開始實驗

用量筒量取20mL 30%的過氧化氫溶液于燒杯中，將蒸餾水倒入滴定管中（注： 滴定管上面的塞子關閉，下端塞子提前調整好滴速）。打開計算機軟件，設置菜單欄中“實驗”中“數據采集”為“持續采集數據”，開動磁力攪拌器，開始采集數據，待數據相對穩定后，打開滴定管上端的塞子放液。待數據變化平穩后停止采集，保存數據。將滴定管洗凈，換成pH=1.00的硫酸溶液，燒杯洗凈重取20mL 30%的過氧化氫溶液，重復上述步驟，保存實驗數據。同理，再將滴定管中溶液換成pH=14.00的氫氧化鈉溶液，重復實驗，保存實驗數據。

2.4 實驗圖像

（1） 往30%過氧化氫溶液中滴加蒸餾水，體系氧化還原電勢ORP隨pH的變化情況。

過氧化氫屬于一種弱酸，隨著蒸餾水的加入，過氧化氫溶液的pH增大（不超過7.00），等同于稀釋。圖2左圖中，上方曲線是體系pH隨時間的變化圖像（pH-t圖），下方曲線是體系ORP隨時間變化圖像（ORP-t圖）；將左圖中相同時間內體系pH、ORP數據在origin7.5軟件中作圖，以pH為橫軸，ORP為縱軸，得到右圖。

由圖2可知，體系的氧化還原電勢ORP隨著pH的增大而下降，ORP降低，說明過氧化氫的氧化性在降低。由此可得，稀釋會降低過氧化氫溶液的氧化性。

（2） 往30%過氧化氫溶液中滴加硫酸溶液，體系氧化還原電勢ORP隨pH的變化情況。

隨著硫酸溶液的加入，體系pH在降低。圖3左圖中，上方曲線是體系pH隨時間的變化圖像（pH-t圖），下方曲線是體系ORP隨時間變化圖像（ORP-t圖）；將左圖中相同時間內體系pH、ORP數據在origin7.5軟件中作圖，以pH為橫軸，ORP為縱軸，得到右圖。（注： 為方便看圖，已將橫軸數據調整為從大到小排序）

由圖3可知，體系的氧化還原電勢ORP隨著pH的降低而增大，到一定數值后持續滴加硫酸溶液，體系ORP幾乎保持不變。說明過氧化氫溶液的pH減小，其氧化性增強，到一定數值后，氧化能力基本不變。

（3） 往30%過氧化氫溶液中滴加氫氧化鈉溶液，體系氧化還原電勢ORP隨pH的變化情況。

隨著氫氧化鈉溶液的加入，體系pH在增大。圖4左圖中，上方曲線是體系pH隨時間的變化圖

2.5 數據處理

由表1數據可知，在20mL 30%的過氧化氫溶液中滴加硫酸會增大體系的ORP，大約滴加pH=1.00的硫酸3.8mL，此時體系pH約為1.26，氧化還原電勢ORP增到較大值，大約為541.5mV，過氧化氫溶液與滴加的硫酸溶液體積比值約為5.3。滴加氫氧化鈉溶液會減小體系的ORP，大約滴加pH=14.00的氫氧化鈉6.5mL，此時體系pH約為9.83，氧化還原電勢ORP降到較小值，大約為56.1mV，過氧化氫溶液與滴加的氫氧化鈉溶液體積比值約為3.1。同時由表1數據可以看出，滴定結束時體系的pH增大，對應的ORP減小，氧化性減弱。

2.6 實驗結論

（1） 滴加硫酸溶液、氫氧化鈉溶液、水對過氧化氫氧化性有影響，且影響程度不一，排序可為： 滴加氫氧化鈉溶液影響>滴加硫酸溶液影響>滴加蒸餾水影響。

（2） 稀釋和滴加氫氧化鈉溶液，都會降低過氧化氫溶液的氧化性，且滴加氫氧化鈉溶液導致過氧化氫氧化性降低幅度更大（由表1數據可知）。滴加硫酸溶液，會增加過氧化氫溶液的氧化性。

（3） 研究者可根據實驗情況，調節過氧化氫溶液的pH來改變其氧化性強弱。當調節體系pH

約為1.26時，過氧化氫氧化性較強，可當調節體系pH約為9.83時，過氧化氫顯示較

弱的氧化性。本實驗中，V（H2O2）∶V（H2SO4）≈5.3，V（H2O2）∶V（NaOH）≈3.1，根據實驗情況，研究者可控制V（H2O2）∶V（H2SO4或NaOH）的比值在5.3或3.1附近時，過氧化氫均可起到較好的不同的氧化效果。

（4） 通過實驗可知，稀釋會降低過氧化氫溶液的氧化性，本實驗中選擇氫氧化鈉溶液來調節過氧化氫溶液的堿性環境時，為盡可能減小稀釋造成的影響，選擇pH=14.00的氫氧化鈉溶液進行實驗較為合適（注： 直接加固體氫氧化鈉，溶解放熱對實驗會造成影響）。濃硫酸具有強氧化性，且溶解放熱，故實驗中選擇稀硫酸溶液調節過氧化氫溶液的酸性環境時，為盡可能減小稀釋造成的影響，選擇pH=1.00的硫酸溶液進行實驗。

參考文獻：

[1]吳星， 呂琳， 楊侖， 吳頻慶. 過氧化氫使酚酞褪色機理的探討[J]. 化學教育， 2014， （11）： 79～81.

[2]宋心琦主編. 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， 2014： 35～39.

[3][4]武漢大學， 吉林大學等校編. 高等學校教材無機化學（上冊）（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 503～507，428～429.