三種傳感器多重表征探究氯水反應(yīng)的可逆性

周美華+后勇軍

摘要：在避光條件下和光照條件下，從氯水反應(yīng)的反應(yīng)物、生成物角度，利用pH、 O2和色度傳感器多重表征來探究氯氣與水反應(yīng)的可逆性。

關(guān)鍵詞：氯氣與水反應(yīng)；傳感器；可逆性

文章編號(hào)：1008-0546（2016）10-0090-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.032

一、問題提出

氯氣與水的反應(yīng)是高中化學(xué)必修內(nèi)容，人教版必修一和二兩本教材對該知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)存在兩種形式[1]，人教版必修一第四章第二節(jié)中關(guān)于氯水反應(yīng)的化學(xué)方程式是用“”連接的[2]，但在必修二第二章中的“反應(yīng)速率”一節(jié)中介紹可逆反應(yīng)時(shí)，卻直接舉例氯水的反應(yīng)是可逆的[3]，并未給出任何講解說明。關(guān)于氯水反應(yīng)的可逆性，教材缺乏過渡性銜接，該知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際教學(xué)中又是難點(diǎn)[4]，為了幫助學(xué)生直觀形象地建構(gòu)知識(shí)，筆者擬從氯水反應(yīng)的反應(yīng)物、生成物角度，利用pH、O2和色度傳感器多重表征來探究其可逆性。

二、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

試劑：氯氣、飽和NaCl溶液、NaCl（固）、H2O、NaOH溶液。

儀器：pH傳感器、O2傳感器、色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、磁力攪拌器、錐形瓶、分液漏斗、三頸瓶、燃燒匙、燒杯、滴管、藥匙、深色布塊等。

三、實(shí)驗(yàn)步驟及圖像分析

實(shí)驗(yàn)1：避光條件下，氯氣通入水中后加入固體氯化鈉的pH變化

（1）按圖1所示裝置組裝儀器，三頸瓶中加入150mL的水，燃燒匙中加入少量NaCl（固），連接好用pH傳感器，用深色布塊遮蓋三頸瓶遮光。

（2）開啟磁力攪拌器，打開分液漏斗活塞，滴加飽和氯化鈉溶液，排出氯氣，通入三頸瓶中與水反應(yīng)，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖2所示。

（3）當(dāng)曲線下降至基本不變時(shí)，關(guān)閉活塞停止通入氯氣。保持遮光，旋轉(zhuǎn)燃燒匙加入固體氯化鈉，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖3所示。

圖象分析：

如圖2，開始通入氯氣一段時(shí)間后，pH下降至幾乎不再改變，pH曲線進(jìn)入平臺(tái)，形成飽和溶液。驗(yàn)證了氯氣和水反應(yīng)生成了酸，即Cl2+H2OHCl+HClO，離子方程式為Cl2+H2OH++Cl-+HClO。飽和氯水為黃綠色，說明此時(shí)氯氣并未完全反應(yīng)，反應(yīng)是可逆的。如圖3，停止通入氯氣后，向溶液中加入固體NaCl，隨著NaCl的溶解，pH出現(xiàn)增大趨勢，說明Cl-濃度的增大導(dǎo)致了H+濃度在減少，發(fā)生了離子反應(yīng)：H++Cl-+ HClOCl2+H2O，即HCl+HClOCl2+H2O，氯水反應(yīng)是可逆的。

實(shí)驗(yàn)2：光照氯水的pH、O2、色度的變化

（1）按圖4所示裝置組裝儀器，三頸瓶中加入150mL的水，連接好用pH和O2傳感器，用深色布塊遮蓋三頸瓶遮光。

（2）開啟磁力攪拌器，打開分液漏斗活塞，滴加飽和氯化鈉溶液，排出氯氣，通入三頸瓶中與水反應(yīng)，點(diǎn)擊pH數(shù)據(jù)采集，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖5所示。

（3）當(dāng)曲線下降至基本不變時(shí)，關(guān)閉活塞停止通入氯氣。取少量氯水樣品留用。保持密閉，點(diǎn)擊pH、O2數(shù)據(jù)采集，摘除深色布塊，光照三頸瓶，觀察O2、pH曲線變化，變化趨勢如圖6所示。

（4）按圖7所示裝置，開啟色度傳感器準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)，選擇波長460nm并較準(zhǔn)。向取樣瓶中滴加氯水樣品至3/4體積，迅速蓋上瓶蓋放入傳感器中，關(guān)閉上蓋，點(diǎn)擊開始采集，觀察色度吸收率變化，變化趨勢如圖8所示。

圖5所示趨勢表明，開始通入氯氣一段時(shí)間后，pH下降至幾乎不再改變，pH曲線進(jìn)入平臺(tái)，形成了飽和氯水。觀察圖7發(fā)現(xiàn)，光照飽和氯水時(shí) O2的百分含量增大，說明了光照時(shí)次氯酸發(fā)生了分解，pH減小、H+濃度增大。觀察圖8發(fā)現(xiàn)，光照飽和氯水時(shí)溶液的吸收率在減小，即氯氣溶解減少，觀察取樣瓶中的氯水也可發(fā)現(xiàn)溶液顏色明顯變淺。

結(jié)合pH、O2和色度圖可知，由于HClO發(fā)生分解，使氯水反應(yīng)平衡向正向移動(dòng)，離子反應(yīng)：Cl2+H2O H++Cl-+HClO，證明氯水反應(yīng)是可逆的。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用三種傳感器，通過避光條件下在飽和氯水中溶解NaCl的pH監(jiān)測和在光照條件下飽和氯水的pH、O2和色度吸收率圖像對照分析，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象表征和數(shù)字化傳感器的曲線表征相結(jié)合得出氯水反應(yīng)的可逆性的符號(hào)表征：Cl2+H2OHCl+ HClO，其離子反應(yīng)為：Cl2+H2OH++Cl-+HClO 。在實(shí)際的課堂教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，在必修1、2和選修4化學(xué)平衡移動(dòng)的學(xué)習(xí)中，可以選擇上述不同的呈現(xiàn)形式進(jìn)行展示，該組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，具有可操作性，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的探究性，教學(xué)效果好。

五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1.新制飽和氯水時(shí)需用深色布塊嚴(yán)密遮光。

2.O2傳感器使用需裝置密閉。

3.光照可選用自然陽光或手機(jī)光照射。

4.利用飽和食鹽水排氯氣是為了得到氣流穩(wěn)定的氯氣。

5.實(shí)驗(yàn)中要控制氯氣的量和少量尾氣的吸收。

參考文獻(xiàn)

[1] 張映明.氯氣與水的歧化反應(yīng)是可逆反應(yīng)[J].化學(xué)教學(xué)，2015（2）：91

[2] 人民教育出版社課程教材研究所. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：83-84

[3] 人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：51

[4] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003