利用傳感器技術(shù)探究次氯酸催化分解反應(yīng)

李艷

摘要： 針對(duì)次氯酸分解實(shí)驗(yàn)的不足之處，利用溶解氧傳感器從催化劑的選擇、催化劑用量、氯水pH和氯水存放時(shí)間等角度探究次氯酸催化分解反應(yīng)的影響因素，改進(jìn)和優(yōu)化了次氯酸催化分解的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)條件，提高了次氯酸分解實(shí)驗(yàn)的課堂演示教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 次氯酸; 鈷氧化物; 催化分解; 溶解氧傳感器; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）02-0064-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 研究背景

次氯酸是一種重要的無(wú)機(jī)酸，高中化學(xué)中主要介紹它的弱酸性、不穩(wěn)定性和強(qiáng)氧化性，其中關(guān)于次氯酸不穩(wěn)定分解的反應(yīng)，現(xiàn)行的高中化學(xué)教材均沒(méi)有相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)。這主要是因?yàn)榇温人岱纸馑俾时容^慢，在短時(shí)間內(nèi)很難觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不適合演示。目前關(guān)于次氯酸分解實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要集中在兩個(gè)方面： 一是從光源及次氯酸濃度角度作改進(jìn)以加快次氯酸分解反應(yīng)速率[1，2];二是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置方便收集氧氣[3，4]。但這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)仍存在一些問(wèn)題，主要如下：

（1） 次氯酸分解產(chǎn)生的氧氣都是用帶火星的木條進(jìn)行檢驗(yàn)，需要收集一定量的氧氣，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置要求高，不夠簡(jiǎn)便。

（2） 次氯酸光照分解實(shí)驗(yàn)對(duì)光源要求高，如遇陰雨天，光照不充足，很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中為了收集到一定量的氧氣，常常要使用較多的氯水，不夠節(jié)約試劑，也造成一定的污染。

（3） 這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間仍要5～10分鐘，時(shí)間長(zhǎng)，不利于在課堂上進(jìn)行演示。

因此，我們意在進(jìn)一步改進(jìn)次氯酸分解實(shí)驗(yàn)，以期能簡(jiǎn)便、快捷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使課堂演示該實(shí)驗(yàn)成為可能。

2? 實(shí)驗(yàn)部分

2.1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

北師大、華中師大等合編的《無(wú)機(jī)化學(xué)》中提到次氯酸在光照或金屬化合物催化下能分解產(chǎn)生氧氣[5]。因此，我們?cè)O(shè)想用催化劑來(lái)加快次氯酸分解反應(yīng)的速率。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e、 Co、 Ni、 Mn、 Cu等金屬的氧化物可以催化次氯酸鈉的分解[6]，我們猜測(cè)這些金屬氧化物或許也能催化分解次氯酸。

溶解氧傳感器是一種測(cè)量氧氣在水中的溶解量的傳感設(shè)備，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)水溶液中氧氣濃度變化情況，非常靈敏、方便、快捷。因此，我們利用溶解氧傳感器檢測(cè)次氯酸分解產(chǎn)生的氧氣。

2.2? 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器： 溶解氧傳感器、溫度傳感器和pH傳感器及配套設(shè)備、小燒杯、電子天平、蒸發(fā)皿、抽濾裝置、玻璃棒、酒精燈、量筒

實(shí)驗(yàn)藥品： 新制飽和氯水、放置1天的氯水、放置3天的氯水、NaOH固體、CoCl2·6H2O、 NiO、 CuO、 MnO2、 Fe3O4、 36.5%濃鹽酸、10% NaOH溶液、稀鹽酸（pH=1.5）

2.3? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1? 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.4? 實(shí)驗(yàn)探究

2.4.1? 催化劑的選擇

除鈷的氧化物外，其余金屬氧化物實(shí)驗(yàn)室均有現(xiàn)存藥品，鈷的氧化物采用下述實(shí)驗(yàn)1的方法進(jìn)行制備。

實(shí)驗(yàn)1? 用天平稱取約5g CoCl2·6H2O，用少量蒸餾水溶解，再加入20mL 10% NaOH溶液，攪拌，抽濾，水洗，將抽濾得到的固體物質(zhì)放在蒸發(fā)皿中灼燒至全部轉(zhuǎn)化為黑色粉末，即得到鈷的氧化物（Co2O3和Co3O4混合物）[7]。

實(shí)驗(yàn)2? 取15mL新制飽和氯水于小燒杯中，按圖1連接好裝置，打開(kāi)計(jì)算機(jī)中WCYdislab軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，再加入0.1g不同金屬氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到氯水中溶解氧變化曲線，如圖2所示。

① 鈷的氧化物;② MnO2;③ CuO;④ NiO;⑤ Fe3O4

圖2? 不同金屬氧化物對(duì)次氯酸分解反應(yīng)的影響

圖2中幾條曲線開(kāi)始階段溶解氧的變化是加入金屬氧化物后造成溶液的擾動(dòng)而引起的變化，可以忽略（下同）。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氯水中溶解氧含量的變化來(lái)看，NiO、 CuO、 Fe3O4幾乎不能催化次氯酸分解，MnO2對(duì)次氯酸分解反應(yīng)略有催化作用，而鈷的氧化物的催化效果最好。因此，我們選用鈷的氧化物作次氯酸分解的催化劑。

2.4.2? 催化劑用量的選擇

實(shí)驗(yàn)3? 各取15mL新制飽和氯水于小燒杯中，分別向氯水中加入不同用量的鈷的氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到溶解氧含量變化曲線，如圖3所示。

① 0.1g; ② 0.2g; ③ 0.05g

圖3? 鈷的氧化物用量對(duì)次氯酸催化分解反應(yīng)的影響

由圖3可知，當(dāng)鈷氧化物用量為0.05g時(shí)，氯水中溶解氧含量變化最小，變化趨勢(shì)最緩和，說(shuō)明次氯酸催化分解反應(yīng)速率最慢;當(dāng)催化劑用量增至0.1g時(shí)，次氯酸催化分解反應(yīng)速率加快;當(dāng)催化劑用量增至0.2g時(shí)，分解反應(yīng)速率與0.1g時(shí)相當(dāng)。因此，我們確定次氯酸催化分解反應(yīng)合適的鈷的氧化物用量為0.1g。

2.4.3? 氯水pH的影響

實(shí)驗(yàn)4? 分別取少量新制飽和氯水（pH=1.5），向其中加入少量NaOH固體或濃鹽酸，用pH傳感器監(jiān)測(cè)氯水的pH，分別制得pH為0.5、 5.4、 6.4、 7.8的氯水。

實(shí)驗(yàn)5? 分別取15mL不同pH的氯水于小燒杯中，各加入0.1g鈷的氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到溶解氧含量變化曲線，如圖4所示。

由圖4中5條曲線斜率可知，次氯酸分解反應(yīng)速率快慢順序?yàn)椋?②≈③>①>④>⑤。這是因?yàn)?條曲線代表的次氯酸濃度大小順序?yàn)棰凇症?①>④>⑤，次氯酸濃度越大，分解反應(yīng)速率越快。所以，通過(guò)調(diào)節(jié)氯水

① pH=1.5; ② pH=5.4; ③ pH=6.4; ④ pH=7.8; ⑤ pH=0.5

圖4? 氯水pH對(duì)次氯酸催化分解反應(yīng)的影響

的pH可以改變氯水中次氯酸濃度，從而引起次氯酸催化分解反應(yīng)速率的改變。

2.4.4? 氯水存放時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)6? 分別取15mL不同存放時(shí)間的氯水于小燒杯中，各加入0.1g鈷的氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到溶解氧含量變化曲線，如圖5所示。

由圖5曲線可知，氯水不避光存放時(shí)間越久，次氯酸催化分解反應(yīng)速率越慢。這是因?yàn)槁人诜胖眠^(guò)程中次氯酸在不斷地緩慢發(fā)生分解，放置時(shí)間越久，次氯酸濃度越小，催化分解反應(yīng)速率越慢。

① 新制飽和氯水; ② 放置1天的氯水; ③ 放置3天的氯水

圖5? 氯水存放時(shí)間對(duì)次氯酸催化分解反應(yīng)的影響

2.4.5? 光照與催化條件下次氯酸分解反應(yīng)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)7? 各取15mL新制飽和氯水于小燒杯中，其中一個(gè)不加催化劑放置在太陽(yáng)光下，另一個(gè)加入0.1g鈷的氧化物放置在陰涼處進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到兩種情況下溶解氧濃度變化曲線，如圖6所示。

① 加0.1g鈷的氧化物催化劑，不光照; ② 光照，不加催化劑

圖6? 光照與催化條件下次氯酸分解反應(yīng)對(duì)比

由圖6可知，在催化劑存在下氯水中溶解氧含量變化比光照下更快，因此，次氯酸在催化條件下的分解反應(yīng)速率比光照下更快。

2.4.6? 次氯酸催化分解過(guò)程中溫度和pH的變化

實(shí)驗(yàn)8? 取15mL新制飽和氯水于小燒杯中，同時(shí)連接溶解氧、溫度、pH傳感器，再加入0.1g鈷的氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到溶解氧含量、溫度、pH變化情況，如圖7所示。

圖7? 次氯酸催化分解過(guò)程中溶解氧、溫度和pH變化

反應(yīng)過(guò)程中，溶液中溶解氧含量在加入催化劑后持續(xù)增加，而溫度和pH基本不變。這是因?yàn)檎麄€(gè)反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生分解的次氯酸很少，溶解氧傳感器靈敏度高，可以檢測(cè)到氧氣濃度的變化，但是溫度和pH傳感器的靈敏度不足以檢測(cè)這些微量的變化。假設(shè)反應(yīng)過(guò)程中溶解氧改變量為8.0mg·L-1，相關(guān)計(jì)算如下：

15mL氯水中增加的氧氣量為： n（O2）=8.0×10-3×15×10-332=3.8×10-6mol

2HClO催化劑O2? +? 2HCl

1mol2mol

3.8×10-67.6×10-6

c新增（H+）=7.6×10-615×10-3=5.1×10-4mol·L-1，與原溶液中c原（H+）=10-1.5=0.032mol·L-1相比，氫離子濃度增加得很少，可以忽略，因此反應(yīng)過(guò)程中pH基本不變，同理，溫度亦是如此。

2.4.7? 鈷的氧化物是催化劑的證據(jù)

如果鈷的氧化物不是次氯酸分解的催化劑，我們猜想氯水中加入鈷的氧化物后引起溶解氧含量變化可能是這些原因： 原因一，鈷的氧化物在酸性溶液中反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，2Co2O3+8H+4Co2++O2↑+4H2O;原因二，鈷的氧化物與鹽酸反應(yīng)，Co2O3+2Cl-+6H+2Co2++Cl2↑+3H2O， Co3O4+2Cl-+8H+3Co2++Cl2↑+4H2O[8]，鹽酸濃度降低，使得Cl2+H2OHCl+HClO平衡正移，增大了次氯酸濃度，從而加快次氯酸分解產(chǎn)生氧氣的速率;原因三，鈷的氧化物直接與次氯酸反應(yīng)產(chǎn)生氧氣。我們通過(guò)設(shè)置以下對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

實(shí)驗(yàn)9? 取15mL稀鹽酸（pH=1.5）于小燒杯中，加入0.1g鈷氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到溶解氧濃度變化情況如圖8。

圖8? 稀鹽酸中加入0.1g鈷的氧化物后溶解氧濃度變化

表1? 相同pH的鹽酸和氯水中各加入0.1g

鈷的氧化物后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比

實(shí)驗(yàn)樣品反應(yīng)后溶液顏色氣泡情況溶解氧含量變化值

稀鹽酸（pH=1.5）無(wú)色無(wú)氣泡產(chǎn)生0

新制氯水（pH=1.5）無(wú)色較多氣泡產(chǎn)生7～8mg·L-1

由圖8可知，稀鹽酸中加入0.1g鈷的氧化物，溶解氧沒(méi)有變化，說(shuō)明新制氯水中加入鈷的氧化物后溶解氧含量的增大不是鈷的氧化物在酸性溶液中反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣，上述原因一不成立。由表1知，稀鹽酸中加入鈷的氧化物，沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，鹽酸溶液顏色無(wú)變化，說(shuō)明鈷的氧化物不與稀鹽酸反應(yīng)，原因二也不成立。新制氯水中加入鈷的氧化物反應(yīng)一段時(shí)間后，過(guò)濾除去鈷的氧化物，所得濾液顏色仍是無(wú)色，說(shuō)明無(wú)Co2+的產(chǎn)生，原因三也不成立。因此，我們推斷鈷的氧化物是次氯酸分解的催化劑。

2.5? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及可能的反應(yīng)機(jī)理

2.5.1? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

少量鈷的氧化物可以很好地催化次氯酸分解產(chǎn)生氧氣，當(dāng)氯水中次氯酸濃度增大時(shí)，分解反應(yīng)速率加快，且在鈷的氧化物催化下次氯酸的分解速率比光照條件下更快。

2.5.2? 可能的反應(yīng)機(jī)理

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，我們推測(cè)鈷的氧化物催化下的次氯酸分解反應(yīng)按如下反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行[9]：

Co2O3+HClO2CoO+O2↑+HCl（1）

2CoO+HClOCo2O3+HCl（2）

次氯酸的氧化能力很強(qiáng)，在新制氯水中次氯酸的濃度也尚可，因此我們認(rèn)為其可以氧化CoO到Co2O3。鈷的氧化物中的Co3O4或許也能像上述（1）、 （2）反應(yīng)式一樣參與次氯酸的分解反應(yīng)，具體的反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3? 實(shí)驗(yàn)研究的意義

根據(jù)上述研究，我們?cè)O(shè)計(jì)的次氯酸分解實(shí)驗(yàn)為： 取15mL新制飽和氯水于小燒杯中，連接溶解氧傳感器，再加入0.1g鈷的氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該次氯酸分解實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置。我們?cè)O(shè)計(jì)的次氯酸分解實(shí)驗(yàn)只需要一個(gè)小燒杯、溶解氧傳感器及配套數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不需要搭建復(fù)雜的裝置，可以方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2） 簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件。我們?cè)O(shè)計(jì)的次氯酸分解實(shí)驗(yàn)不需要光照，擺脫了光對(duì)次氯酸分解實(shí)驗(yàn)的限制，可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在我們?cè)O(shè)計(jì)的次氯酸分解實(shí)驗(yàn)中，只要不是放置時(shí)間很久的氯水，都能實(shí)現(xiàn)次氯酸分解實(shí)驗(yàn)，方便氯水的制取。而且，用我們的方法進(jìn)行次氯酸分解實(shí)驗(yàn)，氯水用量大大減少，節(jié)約了試劑。

（3） 利用傳感器技術(shù)，檢驗(yàn)氧氣更為方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間也更短，整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程只需要2～3分鐘，十分有利于進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。

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