電解飽和食鹽水制漂白劑實驗的可視化研究

莫小靜 丁偉

摘要：本研究借助pH、氧化還原電位傳感器定量測定電解飽和食鹽水制備漂白劑的過程，得到時間pH、時間氧化還原電位圖像，發現陰極的電極反應與OH、Cl2的反應共同影響溶液的pH變化，CUC1、HC10/C1：、HCIO/C1、CIO-/C1多種氧化還原電對共同影響溶液氧化還原電位。同時借助間接碘量法測定了在1.0A電流下電解100 mL飽和NaCI溶液3mlns制得的漂白劑的有效氯濃度，發現電解后的溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿足日常生活所需。

關鍵詞：電解食鹽水；pH；氧化還原電位；定量計算

文章編號：1008-0546（2022）11-0088-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.020

一、研究問題

實驗“電解飽和食鹽水”選白人教版高中化學選擇性必修1第四章第二節，用作電解原理的應用的例子。教材中該部分內容主要呈現了電解飽和食鹽水的原理及該反應在氯堿工業中的重要作用，而對于實驗現象、過程、結果并無過多呈現。并且該節內容在中學化學教學中的重點往往放在了電解過程中陰、陽極離子的放電順序的機械記憶上，較少關注到實驗的本身。書中提到氯堿工業可以制備“含氯漂白劑”，學生只能知道定性實驗結果，但是無法量化感知制備的過程。要電解多長時間才能得到滿足日常生活所需的含氯漂白劑？得到的含氯漂白劑濃度是多少？對于這些量化的指標教材中都無法給出確定的答案。

針對此現狀，本研究著重探究以下問題：

（1）電解飽和食鹽水過程中，化學反應的微觀過程是怎么樣的？微粒如何運動？

（2）需要電解多長時間才能得到滿足日常生活所需的含氯漂白劑？得到的含氯漂白劑的濃度是多少？

二、實驗方案

1．實驗原理

（1）電解飽和食鹽水過程的pH和氧化還原電極電位的變化

電解飽和食鹽水的化學反應方程式為：

陽極：

陰極：

總反應：

在電解質溶液中，Cl：和OH-進一步發生反應：

Cl2+OH-=HClO+Cl-

④

HClO+OH-=ClO-+H2O

⑤

ClO-是漂白液的有效成分，也是氯堿T業的副產品，利用其氧化性能夠將產品漂白。

氧化還原電位即ORP（Oxidation Reduction Poten-tial）能夠反映溶液的宏觀氧化還原能力，是水溶液氧化還原能力的測量指標，其單位是mV。從廣義上講，每1種不同的物質都有一定的氧化／還原能力，這些氧化還原性不同的物質能夠相互影響，最終構成了一定的宏觀氧化還原性。因此，ORP可以用來反映水溶液中所有物質具有的宏觀氧化還原性。溶液氧化性越強，ORP越大；溶液還原性越強，ORP越小。

在電解飽和食鹽水的過程中，由于生成了具有氧化還原能力的微粒，因此，可以測量反應過程中的ORP的變化，進而可視化反應的微觀動態過程。同時電解飽和食鹽水的過程生成了OH-，這是影響ClO-生成的重要因素之一，因此測量化學反應過程pH變化也能夠可視化化學反應的微觀進程。

（2）漂白劑與溶液的酸堿性

pH與次氯酸鈉溶液平衡關系如圖1所示：當溶液的pH<2，溶液中主要成分為Cl2；當溶液48，溶液中的主要成分為ClO-。Cl2／Cl-的標準電極電勢為1.36 V，HClO/Cl2的標準電極電勢為1.61V，HClO/C1-的標準電極電勢為1.48 V，ClO-/Cl-的標準電極電勢為0.89 V。

（ 3）NaCl0的不穩定性

次氯酸鈉溶液在光照、加熱的環境下會發生白發的分解反應，主要化學反應方程式：

2NaClO=2NaCl+O2

⑥

3NaClO=2NaCl+NaClO3

⑦

次氯酸鈉溶液在常溫下會發生自然分解釋放出新生態原子氧：NaClO=NaCl+[O]，而新生態原子氧具有強烈的氧化作用，能進一步引起一系列的反應：

NaClO+H2O=NaOH+HClO

⑧

NaClO+2HC10=NaClO3+2HCl

⑨

HCl+NaOH=NaCl+H2O

⑩

3NaClO=NaClO3+2NaCl

研究表明，在堿性條件下，次氯酸鈉水溶液的分解主要是由反應（6）引起的一系列反應中各組分相互作用的宏觀結果，[1]而[O]的放出是次氯酸鈉分解的關鍵步驟，分解反應宏觀上表現為準一級反應。因此，當體系的溫度不變時，NaClO濃度越大，分解速率也越大。[2]

（4）測量電解結束后電解液的有效氯濃度

有效氯是指與每升產生的次氯酸鈉溶液所具有的氧化能力相當的氯氣的質量，用于定量表示消毒效果。有效氯濃度采取碘量法[3]測定，原理如下。

在酸性介質中，次氯酸根與碘化鉀反應，析出碘，以淀粉為指示液，用硫代硫酸鈉標準滴定溶液滴定，至藍色消失為終點，反應式如下。

有效氯的質量濃度p（mg/L）的計算公式為：

式中，V1為滴定待測液時消耗的Na2S2O3·5H2O的體積（mL）；c為Na2S2O3·5H2o的濃度（mol/L）；M為氯原子的摩爾質量（g/mol）；V2為待測液體積（mL）。

2．實驗用品

（1）實驗藥品

去離子水、飽和NaCl溶液、NaOH溶液、KIO3、Na2S2O3·5H2O、KI、H2SO4、淀粉溶液。

（2）實驗用品

脫脂棉、橡膠塞、洗耳球、導線。

（3）實驗儀器

Go Direct pH傳感器、Go Direct ORP傳感器、數據采集器（ Vernier，LABQ2）、磁力攪拌器、攪拌子、石墨電極、四口燒瓶（150 mL）、學生電源（0～32 V，0～3 A）、100 mL容量瓶、燒杯（50 mL）、移液管（25.00 mL）、碘量瓶（500 mL、100 mL）、50 mL四氟乙烯滴定管。

3．實驗裝置

測量電解飽和食鹽水過程的pH和ORP變化的實驗裝置示意圖如圖2所示、碘量法測定有效氯含量裝置示意圖如圖3所示。

4．實驗過程

（1）可視化電解飽和食鹽水過程

按如圖4所示組裝儀器，打開數據采集器，連接pH傳感器與ORP傳感器。向燒瓶中加入飽和NaCl溶液100 mL，設置數據采集頻率為2樣本／秒，點擊“采集”按鈕，待pH與ORP值穩定后（30 s），接通電源，電流為1.0 A，電解3 mins后關閉電源，待pH和ORP值穩定后（5 mins）停止采集數據，將數據保存并導出。

（2）定量滴定電解后的電解液

①0.1mol/L Na2S2O3溶液的配制：

取10.4 g結晶硫代硫酸鈉，加入0.08 g無水碳酸鈉，用新煮沸并冷卻的蒸餾水溶解，稀釋至400 mL，放置兩周。

②Na2S2O3溶液的標定

準確稱取（0.48+0.06）g干燥至恒重的工作基準試劑KIO3于50 mL小燒杯中，加新煮沸并冷卻后的蒸餾水溶解后轉移至100 mL容量瓶中，并用新煮沸并冷卻后的蒸餾水稀釋定容至刻線，搖勻后準確移取25.00 mL溶液于500 mL碘量瓶中，加2g碘化鉀及20mL 20%的H2SO4溶液，蓋上瓶塞輕輕搖勻，做好水封，于暗處放置10 mins。

將碘量瓶取出，用150 mL新煮沸并冷卻后的蒸餾水稀釋并同時沖洗瓶塞和瓶頸內壁，用待標定的Na2S2O3溶液滴定，慢搖快滴，至溶液出現淡黃色時，再加入2 mL 10 g/L淀粉溶液，快搖慢滴，溶液由藍色變為無色即為終點，記錄消耗的Na2S2O3標準滴定溶液的體積，平行實驗3次。

③有效氯濃度測定

移取10.00 mL電解后的溶液置于100 mL碘量瓶中，加入10 mL碘化鉀溶液和10 mL硫酸溶液，迅速蓋緊瓶塞后用水封，于暗處靜置5 mins。用硫代硫酸鈉標準溶液滴定至淺黃色，加2 mL淀粉指示液，繼續滴定至藍色消失為終點。

三、結果與討論

1．可視化電解飽和食鹽水過程

借助pH傳感器與ORP傳感器測量電解飽和食鹽水的過程，得到的“時間-pH”和“時間-ORP”圖像見圖5。

將數據127 s ORP異常數據剔除，導人到Origin數據處理軟件，繪制出“時間-pH”和“時間-ORP”圖像（見圖6）。

在反應開始前，測得飽和食鹽水的pH約為6.30，可能的原因有：a．配制飽和食鹽水的溶劑去離子水呈弱酸性；b．在配制飽和食鹽水后，溶液靜置了一段時間，可能溶解了空氣中少量CO2。

第一階段：AB、A'B段（30s～34s）和BC、B'C段（34 s～39 s），溶液的pH和ORP都呈現出先上升后下降趨勢，這個階段中，陰極附近發生電極反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，陽極附近電極反應：2Cl--2e-=Cl2↑，陽極附近生成的Cl2很快和陰極附近生成OH-發生反應：Cl2+OH-=HClO+C1-。陰極生成了OH-，同時由于Cl2和OH-發生反應消耗了OH-，因此溶液的pH先上升后下降；溶液中存在的氧化還原電對有φ0（H2O/H2）=-0.83，φ0（Cl2／Cl-）=1.36，φ0（HClO/Cl-）=1.61，此時溶液中Cl2、ClO-的濃度都比較小，溶液的ORP先上升再下降可能是由于φ0（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl-）、φ0（HClO/Cl-）三電對綜合作用的結果。

第二階段：CD和C'D段（39s～56s），溶液的pH和ORP都急劇上升。在外加電壓的作用下，Cl2不斷生成，由于Cl2的溶解度不大，生成的Cl2一部分溶解在溶液中，一部分逸散出體系，溶解在體系中的部分Cl2與OH-發生反應，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不斷上升；溶液的pH約為6～8，此時溶液中有不斷電解生成的Cl2、Cl2和OH-反應生成的HClO，HClO和OH-反應生成的NaClO。溶液中存在Cl2／Cl-、HClO/C12、HClO/Cl-、ClO-／Cl-多種氧化還原電對，氧化態氯元素主要以HC10和Cl0-的形式存在，因此在該階段溶液的ORP急劇上升。

第三階段：DE和D'E段（56 s～95 s），該階段pH持續增大，ORP處于動態平衡。電解持續發生，Cl2仍有大部分逸散到溶液體系外，溶解在體系中的部分Cl2與OH-發生反應，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不斷上升；此時溶液的pH約為8～10，此時溶液的堿性較強，因此溶液中主要存在不斷電解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-發生反應生成NaClO，中間狀態的HClO含量較低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化還原電對，而該電對的電位較小，會導致溶液的ORP有所降低，但同時由于電解持續進行，不斷有Cl2和ClO-生成，又會使ORP增大，此時溶液的ORP處于一個動態平衡。

第四階段：EF和E'F段（95 s～210 s），該階段中pH趨于穩定，ORP處于一個動態平衡，隨著Cl2的不斷生成，溶液和氣體環境中Cl2已經處于一個穩定的狀態，因此生成的Cl2主要存在于溶液體系中，可以認為電極反應生成的Cl2和OH-恰好反應生成了NaClO，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也達到了相對穩定的狀態。

第五階段，FG、F'G段（210 s～213 s）和GH、G'H段（ 213 s～510 s），該階段停止了通電，溶液的pH不斷下降，在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降，而后不斷上升。逸散在容器內的Cl2溶解在溶液中，且部分與溶液中的OH-反應：Cl2↑+2OH-=ClO-+Cl-，消耗了OH-，生成了ClO-，因此溶液的pH下降，ORP上升；在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降可能是由于停電瞬間，陽極附近生成Cl2的電極反應停止了，后ORP不斷上升也可能是溶液中的NaClO在光照、溫度的影響下發生了白分解，產生了氧化性極強的新生態原子氧，隨著NaClO的不斷分解，溶液的ORP不斷上升。

2．定量滴定電解后的電解液

（1）KIO3標準溶液標定Na2S2O3溶液：

準確稱取0.4825 g KIO3基準試劑配制KIO3標準溶液，并用標準溶液標定Na2S2O3溶液，滴定結果見表1。

式中，m為KIO3恒重后稱取的質量，c為硫代硫酸鈉溶液的濃度，M為KIO3的摩爾質量，V為樣品消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，V0為空白消耗硫代硫酸鈉溶液的體積。

（2）有效氯含量的測定

用標定后的0.1105 mol/L的Na2S2O3標準溶液滴定，三次平行滴定的結果見表2。

代人有效氯的質量濃度p（mg/L）的計算公式為

式中，V1為滴定待測液時消耗的Na2S2O3標準溶液的體積（mL）；c為Na2S2O3標準溶液的濃度（mol/L）；M為氯原子的摩爾質量（ g/mol）；V2為待測液體積（mL）。

電解后的溶液有效氯濃度為889.2mg/L，經查表4可知該濃度溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿足日常生活所需。

四、實驗結論

本研究利用了pH、ORP傳感器，探究了電解飽和食鹽水的微觀過程。

通電后的第一階段，溶液的pH和ORP都呈現出先上升后下降趨勢的主要原因為溶液中φ0（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl一）、φ0（HClO/C1-）三電對綜合作用的結果。在第二階段，溶液的pH和ORP都急劇上升，該階段在外加電壓的作用下，Cl2和OH-不斷生成，且氧化態氯元素主要以HClO和ClO-的形式存在。在第三階段，pH持續增大，ORP處于動態平衡，溶液中主要存在不斷電解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-發生反應生成NaClO，中間狀態的HClO含量較低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化還原電對，而該電對的電位較小，但同時由于電解持續進行，不斷有Cl2和ClO-生成，又會使ORP增大。第四階段，pH值趨于穩定，ORP值處于動態平衡，溶液和氣體環境中Cl2已經處于一個穩定的狀態，生成的Cl2主要存在于溶液體系中，可以認為電極反應生成的Cl2和OH-冶好反應生成了NaCl0，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也達到了相對穩定的狀態。

停止通電后，溶液的pH不斷下降，在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降，而后不斷上升。主要可能逸散在容器內的Cl2再次溶解在溶液中發生反應，消耗了OH-，生成了ClO-。ORP不斷上升也可能是溶液中的NaClO發生了白分解，產生了氧化性極強的[O]。

將電解后的電解液進行碘量法測定其中的有效氯濃度為889.2 mg/L。經過實驗，可以發現，在1.0 A電流下電解100mL飽和NaCl溶液3 mins制得的漂白劑可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿足日常生活所需。

五、教育教學價值

1．實驗過程定量化

對于化學反應，不僅要考慮其宏觀可見的屬性，還要考慮微觀層面原子和原子的相互作用，化學面臨的挑戰就是如何讓學生“看得見”微觀粒子的運動，而可視化被認為是一種較好的解決方法。

對比經典的電解飽和食鹽水實驗，本實驗突出了電解池的應用價值，借助數字化傳感器，將實驗的微觀過程以圖像的形式進行表征，可視化地呈現了電解飽和食鹽水制備漂白劑的過程；借助間接碘量法，測定電解結束后電解液的有效氯含量，定量化地呈現了電解飽和食鹽水制備漂白劑的過程。本研究重點探討了電解飽和食鹽水微觀過程與電解飽和食鹽水制備漂白劑的結果，充分利用化學實驗的獨特價值，將電解的過程與結果相結合，多角度、全方位地剖析電解原理，讓實驗回歸課堂，彌補傳統實驗教學中多定性、少定量的問題。[5]

2．學習過程具身化

將本實驗應用于教學實踐，學生可以通過微型裝置搭建、可視化數據采集與表征、定量化結果滴定等活動，親身經歷實驗設計、數據采集、數據表證、數據分析的過程，將定性的實驗現象轉化為可定量感知的數據，感受電解后溶液的消毒效果。在實驗互動中，同學們豐富了對電解池的認識，有效強化了對電解池原理概念的理解，而教師也能看見學生的學習路徑，[6]及時發現學生的學習困難，實現高效干預促進學生學習的效果。

參考文獻

[1]馬德垺，蘇瑜，薛仲華．次氯酸鈉水溶液分解動力學的研究[J]．上海工程技術大學學報，2002（1）：8-10.

[2]王萬林．次氯酸鈉溶液穩定性研究進展[J]．無機鹽工業，2007（9）：12-14+30．

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．中國．GB19106-2013.2014．

[4]中華人民共和國國家衛生健康委員會，次氯酸鈉發生器衛生要求：GB 28233-2020[S]．北京：中國標準出版社，2020-04-09．

[5]張瑾，林月環．化學實驗教學的現狀及基于核心素養的策略研究[J]．化學教與學，2020，No．523（7）：78-81.

[6]陳俊杰．基于理解和可見的電化學實驗教學實踐[J]．化學教與學，2021，No.554（4）：86-89+96．

*本文系華東師范大學教育學部大學生科研基金2021年度“在線教育及教師發展”專項項目“數據可視化到數據故事化的實踐路徑研究”（編號：ECNUFOE2021KYZX017）的成果之一。