84消毒液與醫用酒精的反應原理探究

翁雪香 吳朝輝 徐彥博 王盈懿

摘要： 圍繞84消毒液和醫用酒精混用能否引起氯氣中毒的爭論，從考察兩者混合反應有無堿和氯氣生成入手，設計系列實驗進行求證;結合理論計算，討論分析影響氯氣逸出濃度的關鍵因素。實驗結果發現，在84消毒液與醫用酒精混合的初始階段有少量氯氣逸出，而體系中存在的酸性物質會促進Cl2的生成和逸出;當C2H5OH的氧化產物CH3CHO積累到一定濃度，CH3CHO與Cl2、 NaClO在強堿催化下可發生鹵仿反應。

關鍵詞： 84消毒液; 醫用酒精; 反應原理; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）03-0074-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

2019年底暴發的新型冠狀病毒性肺炎對生產生活帶來了巨大沖擊。為消滅病毒、戰勝疫情，衛生防疫部門要求用醫用酒精、84消毒液等做好個人與環境的消殺。關于兩種消毒劑使用的注意事項，一些自媒體給出了以下兩種說法。

說法一： 84消毒液與醫用酒精混合可產生Cl2。人吸入Cl2后易感染呼吸道和肺部，導致支氣管炎和肺水腫，吸入Cl2量過大會導致心臟驟停。所以84消毒液和醫用酒精切不可混用。

說法二： 不會產生氯氣。為穩定ClO-，84消毒液中添加了少量NaOH。強堿性條件抑制Cl2逸出。酒精和84消毒液混合，可能發生反應： NaClO+C2H5OHNaCl+CH3CHO+H2O，生成沒有殺菌能力的乙醛。幸好這個反應速率很慢。另外，乙醛可能會被NaClO氧化成乙酸或者發生鹵仿反應。

我們還發現，浙江某市的高三適應性試卷根據第一種說法命制了一道模擬試題[1]。

某興趣小組為了探究84消毒液（主要成分是NaClO）與酒精混合是否存在安全隱患，利用圖1所示裝置進行實驗。

請回答：

（1） 三頸燒瓶中出現黃綠色氣體，請寫出相應的化學方程式? ? ? ? 。（乙醇氧化為乙醛）

試題以下部分省略。

參考答案： （1） 2NaClO+CH3CH2OHCH3CHO+2NaOH+Cl2↑（式①）。

參考答案公布后，立即引發了學生的質疑與討論，形成了多種不同的觀點。

觀點一? 如果考慮Cl2與NaOH的后續反應，可得：

ClO-+C2H5OHCl-+CH3CHO+H2O（式②）;

式②即上文說法二中提及的反應原理。

觀點二? CH3CHO可能被Cl2氧化：

CH3CHO+Cl2+H2OCH3COOH+2H++2Cl-（式③）;

生成的HCl再與體系中的NaOH反應，與式①、 ③耦合可得：

2ClO-+CH3CH2OHCH3COOH+2Cl-+H2O（式④）;

強氧化性的NaClO也可能將CH3CHO氧化：

CH3CHO+ClO-CH3COOH+Cl-;

與式②耦合，同樣得式④。

觀點三? CH3COOH與ClO-之間能發生復分解反應，與式④耦合可得：

3ClO-+CH3CH2OHCH3COO-+2Cl-+HClO+H2O（式⑤）。

觀點四? 在CH3COOH作用下，Cl-、 ClO-會生成Cl2，與式④耦合可得：

2CH3CH2OH+5NaClOCl2↑+2CH3COONa+3NaCl+3H2O（式⑥）。

也有贊同參考答案的：“Cl2生成后脫離溶液，與NaOH不能充分接觸，Cl2與NaOH就同時生成了”。

84消毒液和醫用酒精混用會不會造成Cl2中毒？模擬試題是實驗結果的投射還是命題者的主觀判斷？學生對參考答案的質疑合不合理？為解答這些疑問，我們設計如下系列實驗以一探究竟。

2? 實驗探究

2.1? 試劑與儀器

試劑： 84消毒液（有效氯含量8～10.5g/L）、醫用酒精（酒精含量70%～77%）、氫氧化鈉固體、2mol/L鹽酸、40 wt%乙醛

儀器： PHS-3C型pH計、E-201-C型pH復合電極、恒溫磁力攪拌器

2.2? 實驗過程與分析

梳理各個方程式的產物后，決定圍繞式①設計實驗： 用pH計實時檢測混合液的pH變化，用濕潤的KI-淀粉試紙檢驗有無Cl2生成。試劑用量控制為84消毒液10mL[經計算c（NaClO）為0.22～0.30mol·L-1]、醫用酒精5mL[經計算c（C2H5OH）≈12.2～13.4mol·L-1]。酒精過量的目的是提高式①的比例。

每個實驗均平行三次，實驗數據取平均值。為了減少反應熱效應對實驗的影響，溶液混合采用緩慢滴加方式： 10min左右將所滴加液體全部加完。除已指明反應溫度的實驗外，均恒溫27℃。

2.2.1? 溶液pH變化的探究

[實驗1]取2份5mL 84消毒液，緩慢滴加醫用酒精或蒸餾水各10mL，用pH計檢測pH變化（每分鐘記錄一次數據），結果見圖2。滴加完成后，停止測pH，裝置加蓋密封，蓋子內側貼KI-淀粉試紙，觀察試紙顏色變化。試紙顏色變化情況見下文。

84消毒液的有效成分是NaClO，其濃度為0.22～0.30mol·L-1。NaClO會水解，由Ka（HClO）=2.8×10-8得Kh（NaClO）=KwKa=3.6×10-7，計算不同濃度的NaClO溶液的理論pH，如表1所示。由表1推測，84消毒液的pH應小于10.8，而實驗1測得pH初始值為12.37（見圖2），這就證實了“說法二”中的“為穩定ClO-，84消毒液中添加了少量NaOH”的說法。

用NaOH固體吸收酒精中溶解的CO2。調pH至8是防止乙醇中c（OH-）過高抑制Cl2生成。試紙在50s時變藍，41min時褪色。

對比實驗4、實驗5的褪色時間，說明醫用酒精與84消毒液混合會生成Cl2、乙醇中溶解的CO2會促進Cl2生成。從褪色時間以及在10min、 20min時聞容器內氣體的氣味，無明顯刺激性，說明生成Cl2的速率與濃度并不大。

2.2.3? 消毒液與乙醛、乙酸的反應

[實驗6]取2份10mL質量分數為40%的乙醛溶液與5mL 84消毒液，分別緩慢地相互滴加，用pH計檢測溶液pH變化（每隔一分鐘記錄一次數據），結果見圖5。持續觀察溶液顏色變化，結果見表2。滴加完成后，將裝置密封，蓋子內側貼KI-淀粉試紙，觀察試紙變色情況。

實驗6的結果有： （1）無論是消毒液中加入乙醛，還是乙醛中加入消毒液，溶液皆是逐漸變黃色，最后都有黃色油狀液滴析出，只是產生這些變化的時間不同（見表2）;（2）容器中的KI-淀粉試紙始終未見變色。甚至取黃色溶液直接滴在濕潤的試紙上，試紙也不變色;（3）兩份溶液的最終pH相差不大（見圖5）。由上述實驗現象，可得出如下推論：

第一，CH3CHO在NaClO的堿溶液作用下發生鹵仿反應，油狀液體應是CHCl3。在堿的催化下，當乙醛的一個α-H被氯原子取代后，由于氯原子的吸電子作用，使得CH3CHO的α-H的酸性增強，更易被氯原子取代。所以在堿的催化下，乙醛的三個α-H會全部被氯原子取代生成三氯乙醛。三氯乙醛在堿溶液中不穩定，與NaOH反應生成氯仿和甲酸鈉。方程式如下[5，6]：

CH3CHO+3NaClOCCl3CHO+3NaOH

CCl3CHO+NaOHCHCl3+HCOONa

第二，兩種滴加方式的差異主要是試紙變色的時間（見表2）。參照堿性條件下丙酮的碘代反應，乙醛的氯代反應的速率與Cl2濃度無關，而與乙醛、堿的濃度成正比，即v=kc（CH3CHO）c（OH-）[7]。分析pH曲線與所用試劑的濃度，在混合的前幾分鐘，CH3CHO與NaClO的反應速率主要由c（OH-）決定，所以消毒液中緩慢加入乙醛，c（OH-）大，反應速率相對較快，溶液更早出現黃色。

[實驗7]? 取10mL 84消毒液于錐形瓶，滴加稀CH3COOH溶液（配制方法： 取冰醋酸1mL，加水稀釋至10mL），每加完1滴管就加塞子密封，持續振蕩1min，聞氣體的氣味（實驗時室溫為35℃）。

溶液中無明顯氣泡產生，錐形瓶內氣體未顯黃綠色。加至4滴管，刺激性氣味明顯加重。將錐形瓶密封放置10min，氣體的氣味很刺鼻。說明在CH3COOH作用下，消毒液釋放出的Cl2足以被感官辨識。

Cl2（g）+2OH-（aq）Cl-（aq）+ClO-（aq）+H2O（l）? Kθ1=7.7×1015（25℃）

CH3COOHCH3COO-+H+? Ka=1.8×10-5（25℃）

式⑥的平衡常數K2=K2a×K2w/Kθ1=421，反應能自發進行。實驗7也反向證實實驗6中沒有CH3COOH生成。雖然從理論上看，堿性條件下NaClO[φθB（ClO-/Cl-）=0.81V]可以氧化CH3CHO[φθB（CH3COOH/CH3CHO）=-1.22V]，但可能這個反應的活化能比較大。

3? 結論與反思

綜合上述實驗探究及理論計算的結果，我們得出以下結論：

（1） 84消毒液與醫用酒精混合會有Cl2逸出。NaClO氧化C2H5OH時，會生成Cl2，而NaOH溶液吸收Cl2的速率不快[8]，所以有Cl2從混合液中逸出。

（2） 消毒液與醫用酒精反應生成的Cl2的濃度較低。一是隨著C2H5OH和NaClO反應的進行，產物NaOH濃度增大，吸收Cl2的能力增強。二是在堿催化下，Cl2會與CH3CHO發生鹵仿反應。三是堿性條件下，CH3CHO不會被NaClO氧化成CH3COOH（上述“說法二”中的相關敘述不正確），也就沒有出現CH3COOH促進Cl2生成的情形。Cl2只是在兩種溶液剛混合時有少量生成，所以模擬試題中“三頸燒瓶中出現黃綠色氣體”的說法值得商榷。

（3） 空氣中的CO2、乙醇中溶解的CO2均會增大Cl2的濃度，導致Cl2濃度超出安全限度。需提醒的是，使用84消毒液進行室內消毒時，因水膜表面積大，與空氣接觸充分，生成Cl2的速率與濃度都明顯增大，所以消毒后不久就可聞到較刺鼻的刺激性氣味。從安全角度考慮，在一個較封閉的室內使用84消毒液時，一是要對84消毒液原液按要求比例進行稀釋（1∶100）;二是消毒結束后要用清水重新擦拭消毒區域，并保持通風以降低室內的Cl2濃度。上述“說法一”雖然說消毒液與酒精混合有Cl2生成，但歸因有誤。

（4） 鹵仿反應是影響Cl2逸出量的關鍵因素。CH3CHO與Cl2在堿催化下較快地進行鹵仿反應，而且發生鹵仿反應時消耗的Cl2量大于C2H5OH氧化階段生成的Cl2量，需要NaClO作為氯原子的補充來源。所以當CH3CHO的濃度積累到足以發生鹵仿反應時，混合液就不再有Cl2逸出。所以消毒液與酒精混合的主要反應如下（不考慮其他副反應）：

2NaClO+CH3CH2OHCH3CHO+2NaOH+Cl2↑

CH3CHO+3Cl2+3NaOHCCl3CHO+3NaCl+3H2O

CH3CHO+3NaClOCCl3CHO+3NaOH

CCl3CHO在堿性條件下水解，故總反應式可表示為：

C2H5OH+4NaClOCHCl3+HCOONa+2NaOH+NaCl+H2O

工業上可用乙醇代替乙醛或丙酮制取氯仿[9]，證實了上述過程的可能性。在本文選擇的實驗條件下，因氧化反應與鹵仿反應的速率慢，生成的CHCl3少，CHCl3溶解在過量C2H5OH中，所以實驗1、實驗3均未觀察到分層現象。

此次求證過程讓我們感受到了化學反應的復雜性： 既有遵從化學原理和規律的共性的一面，又有具體問題具體分析的個性的一面。中學教師若欲利用陌生情境命制試題時，有必要從物質個性的角度進行實驗求證，以獲得第一手資料，在實驗事實的指導下命制試題，從而提高試題的科學性。日常教學碰到疑難問題不足為怪，但需要我們激活好奇心以一探究竟，在探索中提升自己的化學學科專業素養。

參考文獻：

[1]浙江省選考科目考試紹興市適應性試卷（2020年4月）[EB/OL]. https：//wenku.baidu.com/view/64e2aa3833b765ce0508763231126edb6e1a7665.html. [2020-4-21].

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·實驗化學（選修）（第二版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 57.

[3]杜強. 氯氣[EB/OL]. https：//baike.baidu.com/item/%E6%B0%AF%E6%B0%94/1759805？fr=aladdin. [2016-1-16].

[4]周金漢， 王成羽. 二氧化碳在乙醇水溶液中的溶解度[J]. 化學工程， 1996， （1）： 63～67.

[5]邢其毅， 裴偉偉， 徐瑞秋等. 基礎有機化學（第4版）[M]. 北京： 北京大學出版社， 2016： 481.

[6]姚映欽. 有機化學[M]. 北京： 化學工業出版社， 2008： 238.

[7][9]王積濤， 王永梅， 張寶申等. 有機化學（第三版）[M]. 天津： 南開大學出版社， 2009： 372， 373.

[8]張紅衛. 用氨水吸收氯氣尾氣[J]. 化學教學， 2013， （9）： 44～45.