利用傳感器技術探究高鐵酸鉀分解凈水原理

周興璐

(無錫市藕塘中學,江蘇 無錫 214000)

K2FeO4是一種氧化性極強的氧化劑,比高中階段常見的KMnO4、O3、Cl2等氧化劑的氧化能力還強[1].作為氧化劑,它具有活性強、選擇性高等特點,同時其還原產物為Fe(OH)3,對環境無害,可以吸附水中雜質,所以它是一種集氧化、殺菌、吸附、絮凝等功能為一體的新型高效多功能凈水劑,因而備受人們關注.正因如此,近年來,以高鐵酸鉀為背景的高考試題頻頻出現,現行的高中化學教材中對高鐵酸鉀的性質沒有加以介紹,也沒有相關的凈水演示實驗,遇到以上問題,學生對K2FeO4分解凈水原理認識不清.因此,本文希望基于傳感器技術,通過數字化實驗,能夠簡便、快捷、準確地探究出影響高鐵酸鉀分解凈水原理的相關因素,并得到其凈水的最佳反應條件,使課堂演示高鐵酸鉀分解凈水實驗成為可能.

1 實驗部分

1.1 實驗設計思路

K2FeO4在水溶液中分解, 其離子方程式為:

4Fe(OH)3↓+8OH-+3O2↑

本實驗利用溶解氧傳感器對高鐵酸鉀分解凈水原理進行探究[2].通過手持數字傳感器技術實時進行實驗數據采集并處理,讓學生觀察到高鐵酸鉀在凈水過程中的分解進程.通過定量測定反應過程中溶解氧含量變化,分析濃度、溫度、催化劑、溶液酸堿性等條件對分解凈水效率的影響,并得到高鐵酸鉀凈水的最佳條件.

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.

圖1 實驗裝置示意圖

1.3 實驗探究

1.3.1濃度大小對高鐵酸鉀分解反應的影響

實驗1:用移液槍量取20 mL蒸餾水于小燒杯中,按圖1所示連接好裝置,打開計算機相關軟件,點擊“開始”采集數據.待數據穩定后,用電子天平分別稱取質量為0.02 g、0.04 g、0.08 g K2FeO4固體加入其中,配成1 000、2 000、4 000 mg/L三種不同濃度的高鐵酸鉀溶液進行實驗,得到溶解氧含量變化曲線(如圖2所示),并用紅色激光筆照射.

由圖2曲線可知,不同濃度的高鐵酸鉀溶液,其分解速率不同.高鐵酸鉀濃度越大,分解產生的O2越多.表明濃度越大,高鐵酸鉀溶液分解速率越快,越容易生產O2.根據勒夏特列原理,反應物濃度大,有利于平衡正向移動,使溶液中溶解氧含量增多.

由實驗可知,不同濃度的高鐵酸鉀溶液分解后得到的氫氧化鐵微粒狀態有所不同.濃度越大,生成的氫氧化鐵越多,易形成沉淀;濃度較小時,生成氫氧化鐵含量較少,易形成氫氧化鐵膠體,有利于溶液中雜質沉降.因此,適當濃度的高鐵酸鉀溶液,有利于形成氫氧化鐵膠體,提高凈水效率.

1.3.2高鐵酸鉀分解過程中溫度和酸堿性變化

實驗2:稱取質量為0.04 g的K2FeO4固體于含20 mL蒸餾水的小燒杯中,同時連接溶解氧、溫度、pH傳感器,得到溶解氧含量、溫度、pH變化情況,如圖3所示.

如圖3所示,在反應過程中,溶液中的溶解氧含量不斷增加,溶液堿性不斷增強,而溶液溫度卻變化不大.說明在整個反應過程中分解的高鐵酸鉀不多,并且由于溶劑水的含量較多,比熱容大,使得溫度變化不明顯,但溶解氧傳感和pH傳感器的器靈敏度比溫度傳感器的靈度大得多,因此可以檢測出溶液中溶解氧含量和酸堿性變化,但檢測不出溶液溫度變化.

1.3.3溶液酸堿性對高鐵酸鉀分解反應的影響

實驗3:向蒸餾水中加入少量KOH或濃硫酸,用pH傳感器檢測溶液pH,分別制成pH為5、7、11的水溶液.

實驗4:用移液槍分別量取20 mL不同pH的水溶液于小燒杯中,同時連接溶解氧傳感器,另稱取三份質量均為0.04 g的K2FeO4固體于小燒杯中,得到溶解氧含量變化曲線,如圖4所示.

圖4 不同pH對高鐵酸鉀分解凈水過程的影響

由圖4可知,在不同pH水溶液中高鐵酸鉀的穩定性不同,堿性越強,高鐵酸鉀溶液越穩定,堿性越弱,高鐵酸鉀越容易分解.這是因為高鐵酸鉀在水溶液中分解成O2和OH-,在堿性條件下,生成物氫氧根濃度增大,根據勒夏特列原理,有利于平衡逆向移動,抑制高鐵酸鉀分解;而在弱堿性條件下,氫離子濃度相對較大,消耗生成的氫氧根使其濃度減小,有利于平衡正向移動,促進高鐵酸鉀分解.因此,高鐵酸鉀更適用于酸性或中性條件下的污水處理.

1.3.4存放時間對高鐵酸鉀分解反應的影響

實驗5:用移液槍量取20 mL蒸餾水于小燒杯中,用電子天平分別稱取三份質量為0.04 g的K2FeO4固體加到小燒杯中,放置不同時間,觀察實驗現象.

由實驗可知,高鐵酸鉀溶液在長期存放過程中,高鐵酸鉀會不斷地分解,時間越長分解得越多,濃度越小,所以高鐵酸鉀溶液不能長期保存,否則會影響凈水效果.

1.3.5溫度對高鐵酸鉀分解反應的影響

實驗6:用移液槍分別量取20 mL蒸餾水于小燒杯中,同時連接溶解氧傳感器,再分別加入質量為0.04 g的K2FeO4固體,在不同反應溫度條件下(20 ℃,50 ℃, 80 ℃)得到溶解氧含量變化曲線,如圖5所示.

圖5 不同溫度對高鐵酸鉀分解凈水過程的影響

由圖5曲線可知,在不同溫度條件下,高鐵酸鉀的穩定性不同.溶液中的含氧量隨著溫度的升高而增大,即表明溫度越高,高鐵酸鉀越容易分解生產O2,自身越不穩定.由于升高溫度可以提高單位體積內的活化分子數,加快反應速率,因此適當升溫,有利于提高凈水效率.

1.3.6催化劑種類對高鐵酸鉀分解反應的影響

實驗7:用移液槍量取20 mL蒸餾水于小燒杯中,再分別加入0.04 g的氯化鐵、硝酸鐵固體配成溶液,同時連接溶解氧傳感器,再加入質量為0.04 g的K2FeO4固體,在不同催化劑條件下得到溶解氧含量變化曲線,如圖6所示.

圖6 不同催化劑下高鐵酸鉀分解凈水過程的影響

由圖6中溶解氧含量曲線變化可知,加入鐵鹽之后,高鐵酸鉀的分解速率均有了不同程度的提高,說明兩種鐵鹽均能催化高鐵酸鉀分解.其原理可能是因為Fe3+與K2FeO4發生了氧化還原反應生成了不穩定的中間體,然而這些中間體又極不穩定迅速分解成Fe3+,最終促進K2FeO4的分解[3].但是,不同的鐵鹽對高鐵酸鉀的催化作用不同,說明鐵鹽中的陰離子對高鐵酸鉀溶液的穩定性也有一定影響.

1.4 實驗結論

根據以上實驗探究,可以得出高鐵酸鉀分解凈水演示實驗最佳條件為: 取20 mL污水溶液于小燒杯中,連接溶解氧傳感器和pH傳感器,再加入0.04 g高鐵酸鉀固體進行實驗,一段時間后傾倒出上層清液,觀察實驗現象.在泥水中加入高鐵酸鉀后的燒杯底部沉降雜質較多,凈水效果顯著.

2 實驗反思

2.1 實驗裝置簡潔化

該分解凈水實驗只需要一個小燒杯、溶解氧傳感器、pH感器及其他相關實驗設備,不需要復雜的實驗裝置,實驗操作方便、快捷.

2.2 實驗條件簡單化

設計的高鐵酸鉀分解凈水實驗,是在探討了相關影響因素之后,選擇的最佳反應條件.條件控制簡單,實驗現象明顯,有很好的演示效果,可以隨時進行實驗.

2.3 檢驗手段簡明化

利用數字化傳感器技術,首先,可以很靈敏地檢測出溶液中的溶解氧含量、氫氧化鐵含量和溶液酸堿性的微量變化,大大節約了實驗時間,有利于在課堂進行演示實驗;其次,在實驗分析過程中,實現了由現象為主體的定性分析向數據為主導的定量研究轉變,啟發學生思考,有利于提升課堂教學效果.