利用傳感器技術(shù)探究高鐵酸鉀分解凈水原理

周興璐

摘要：文章針對高鐵酸鉀凈水問題，利用溶解氧傳感器從濃度、溫度、催化劑、溶液酸堿性等角度探究高鐵酸鉀凈水原理和最佳反應(yīng)條件，提高了課堂教學(xué)效果，加深了學(xué)生對高鐵酸鉀性質(zhì)的理解.

關(guān)鍵詞：高鐵酸鉀；分解；傳感器；高中化學(xué)

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2023）33-0115-03

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(chǎn)物為Fe（OH）3，對環(huán)境無害，可以吸附水中雜質(zhì)，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(guān)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(xiàn)，現(xiàn)行的高中化學(xué)教材中對高鐵酸鉀的性質(zhì)沒有加以介紹，也沒有相關(guān)的凈水演示實驗，遇到以上問題，學(xué)生對K2FeO4分解凈水原理認(rèn)識不清.

因此，本文希望基于傳感器技術(shù)，通過數(shù)字化實驗，能夠簡便、快捷、準(zhǔn)確地探究出影響高鐵酸鉀分解凈水原理的相關(guān)因素，并得到其凈水的最佳反應(yīng)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(shè)計思路

K2FeO4在水溶液中分解， 其離子方程式為：

4FeO2-4+10H2O4Fe（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?jǐn)?shù)字傳感器技術(shù)實時進行實驗數(shù)據(jù)采集并處理，讓學(xué)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(yīng)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.

1.3 實驗探究

1.3.1 濃度大小對高鐵酸鉀分解反應(yīng)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(guān)軟件，點擊“開始”采集數(shù)據(jù).待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，用電子天平分別稱取質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)O2.根據(jù)勒夏特列原理，反應(yīng)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(tài)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(zhì)沉降.因此，適當(dāng)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhì)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.

由圖4可知，在不同pH水溶液中高鐵酸鉀的穩(wěn)定性不同，堿性越強，高鐵酸鉀溶液越穩(wěn)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(jù)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(yīng)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(zhì)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(xiàn)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(yīng)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(zhì)量為0.04 g的K2FeO4固體，在不同反應(yīng)溫度條件下（20 ℃，50 ℃， 80 ℃）得到溶解氧含量變化曲線，如圖5所示.

由圖5曲線可知，在不同溫度條件下，高鐵酸鉀的穩(wěn)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(chǎn)O2，自身越不穩(wěn)定.由于升高溫度可以提高單位體積內(nèi)的活化分子數(shù)，加快反應(yīng)速率，因此適當(dāng)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(yīng)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(zhì)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.

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(fā)生了氧化還原反應(yīng)生成了不穩(wěn)定的中間體，然而這些中間體又極不穩(wěn)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(wěn)定性也有一定影響.

1.4 實驗結(jié)論

根據(jù)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(xiàn)象.在泥水中加入高鐵酸鉀后的燒杯底部沉降雜質(zhì)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(guān)實驗設(shè)備，不需要復(fù)雜的實驗裝置，實驗操作方便、快捷.

2.2 實驗條件簡單化

設(shè)計的高鐵酸鉀分解凈水實驗，是在探討了相關(guān)影響因素之后，選擇的最佳反應(yīng)條件.條件控制簡單，實驗現(xiàn)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(shù)字化傳感器技術(shù)，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(jié)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(xiàn)了由現(xiàn)象為主體的定性分析向數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的定量研究轉(zhuǎn)變，啟發(fā)學(xué)生思考，有利于提升課堂教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

［1］?張新中.新型水處理劑：高鐵酸鹽[J].化學(xué)教學(xué)，2017（8）：76-78.

[2] 李艷.利用傳感器技術(shù)探究次氯酸催化分解反應(yīng)[J].化學(xué)教學(xué)，2020（2）：64-68.

[3] 宋華.高鐵酸鉀在中性、酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性[J].化學(xué)通報，2008（9）：696-700.

［責(zé)任編輯：季春陽］