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——H2O2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

◇ 安徽 曹培培

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——H2O2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

◇ 安徽 曹培培

1 由一道高考試題說起

原題(2016年新課標(biāo)卷Ⅰ第28題，有刪節(jié)) NaClO2是一種重要的殺菌消毒劑,也常用來漂白織物等,其一種生產(chǎn)工藝如圖1所示,回答下列問題.

圖1

“尾氣吸收”是吸收“電解”過程排出的少量ClO2,此吸收反應(yīng)中,氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為________,該反應(yīng)中氧化產(chǎn)物是________．

解析由流程圖容易看出,NaOH與H2O2的混合液吸收尾氣中的ClO2得到成品液,進(jìn)而得到NaClO2產(chǎn)品.從化合價的角度分析,H2O2為還原劑,ClO2為氧化劑,則氧化產(chǎn)物應(yīng)為O2,還原產(chǎn)物為NaClO2,由化合價升降守恒易得氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為2∶1．

2016年6月8日晚上,在官方答案還沒有公布之前,在網(wǎng)絡(luò)上有很多該試題的答案,給出的大多是1∶2和NaClO3,這是什么原因呢?原來是把H2O2當(dāng)成了氧化劑,ClO2當(dāng)成了還原劑所致．究其原因，一方面是平時習(xí)題中H2O2大多作為氧化劑,另一方面是對流程分析不仔細(xì)．H2O2在反應(yīng)中可能體現(xiàn)哪些性質(zhì)?在往年的高考試題中都考查過哪些性質(zhì)?下面就梳理一下近年高考試題中的H2O2．

2 H2O2的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 H2O2的結(jié)構(gòu)

H2O2是極性分子,即2個氫原子不在同一個平面．

2.2 物理性質(zhì)

純凈的過氧化氫是無色的黏稠狀液體．在20℃時,密度為1.245 g·mL-1,沸點為152.1℃,熔點為-0.89℃．固態(tài)過氧化氫是無色針狀晶體,密度為1.71 g·mL-3．它是一個極好的離子性溶劑,與水互溶,這是由于與水能形成新的氫鍵．在實驗室中常用的3%～30%的過氧化氫水溶液稱為雙氧水．

2.3 化學(xué)性質(zhì)

1) H2O2是一種弱酸.

NH3(l)+H2O2=NH4OOH↓(白色).

2) 在酸性條件下,H2O2是極好的氧化劑,但遇到強氧化劑時顯還原性．在堿性條件下,H2O2是中等的氧化劑．在水溶液中,過氧化氫不論是氧化劑,還是還原劑,在反應(yīng)體系中都不引入任何雜質(zhì):

2H++H2O2+2e-→2H2O作氧化劑;

H2O2-2e-→O2↑+2H+作還原劑.

3) H2O2不穩(wěn)定,易歧化．

a) 在OH-介質(zhì)中比在H+介質(zhì)中分解快; b) 若有重金屬離子Fe2+、Mn2+、Cu2+、Cr3+等存在,大大加快H2O2的分解; c) 波長為320～380 nm的光促使H2O2分解; d) 受熱加快H2O2分解．

預(yù)防H2O2分解的措施:把H2O2放入棕色瓶中,再放在陰涼、避光處,加入穩(wěn)定劑(如微量Na2SnO3、Na4P2O7或8-羥基喹啉等)來抑制所含雜質(zhì)的催化作用，這些穩(wěn)定劑的作用是配位或還原雜質(zhì)離子．

3 與H2O2相關(guān)的高考試題

3.1 考查H2O2的結(jié)構(gòu)

例1(2015年浙江卷第27題節(jié)選) H2O2的電子式______．

3.2 考查H2O2的氧化性

例2(2016年新課標(biāo)卷Ⅱ28節(jié)選) 丁組同學(xué)向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液,溶液變成棕黃色,發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________;一段時間后,溶液中有氣泡出現(xiàn),并放熱,隨后有紅褐色沉淀生成．產(chǎn)生氣泡的原因是________;生成沉淀的原因是________(用平衡移動原理解釋)．

解析溶液變?yōu)樽攸S色,說明生成了Fe3+,離子方程式為H2O2+2Fe2++2H+=2Fe3++2H2O．溶液中有氣泡出現(xiàn),說明H2O2在Fe3+的催化作用下發(fā)生了分解反應(yīng),生成了O2．隨后生成紅褐色沉淀Fe(OH)3,由于H2O2分解放出熱量,且反應(yīng)消耗H+,Fe3+的水解平衡Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+向正反應(yīng)方向移動,因此得到Fe(OH)3沉淀．

答案H2O2+2Fe2++2H+=2Fe3++2H2O; Fe3+催化H2O2分解產(chǎn)生O2; H2O2分解反應(yīng)放熱,促進(jìn)Fe3+的水解平衡正向移動.

【說明】 Fe2+與H2O2在酸性條件下反應(yīng)的方程式在近年高考中出現(xiàn)的頻率極高,比如,2016年四川卷第3題、2016年江蘇卷第19(2)題、2010年上海卷第19題等,考查形式有離子方程式的書寫和離子方程式正誤判斷等．

例3(2014年重慶卷第9(2)題) 裝置B中加入300.00 mL葡萄酒和適量鹽酸,加熱使SO2全部逸出并與C中H2O2完全反應(yīng),其化學(xué)方程式為____．

解析H2O2作為氧化劑將SO2氧化為H2SO4,結(jié)合得失電子守恒和原子守恒,方程式為H2O2+SO2=H2SO4．

【說明】 H2O2與SO2的反應(yīng)也是近年高考中的熱點,比如,2014年北京卷第27(2)題、2012年安徽卷第27(2)題等,考查形式主要為化學(xué)方程式及離子方程式的書寫等．

例4(2012年江蘇卷第19(1)題) (ⅰ) 銅帽溶解時加入H2O2的目的是____________(用化學(xué)方程式表示)．(ⅱ)銅帽溶解完全后, 需將溶液中過量的H2O2除去，除去H2O2的簡便方法是________．

解析Cu與稀硫酸不反應(yīng),在酸性條件下H2O2作為氧化劑將Cu氧化為Cu2+,化學(xué)方程式為Cu+H2O2+H2SO4=CuSO4+2H2O,因H2O2受熱易分解,故除去過量H2O2的簡便方法是加熱(至沸)．

【說明】 Cu在酸性條件下與H2O2的反應(yīng)也多次考查到,比如，2008年江蘇卷第16(1)題．

例5(2008年北京卷第28(4)題)取Y中的溶液(含F(xiàn)e2+),調(diào)pH約為7,加入淀粉-KI溶液和H2O2,溶液呈藍(lán)色并有紅褐色沉淀生成．當(dāng)消耗2 mol I-時,共轉(zhuǎn)移3 mol電子,該反應(yīng)的離子方程式是____．

解析當(dāng)消耗2 mol I-時,共轉(zhuǎn)移3 mol電子,則參與反應(yīng)的Fe2+與I-的物質(zhì)的量比為1∶2,則反應(yīng)的離子方程式為

2Fe2++4I-+3H2O2=2Fe(OH)3↓+2I2.

3.3 考查H2O2的還原性

例6(2016年四川卷第8(5)題) 在稀硫酸中,Z(Cr)的最高價含氧酸的鉀鹽(橙色)氧化M(O)的一種氫化物,Z(Cr)被還原為+3價,該反應(yīng)的化學(xué)方程式是________．

K2Cr2O7+3H2O2+4H2SO4=

K2SO4+Cr2(SO4)3+3O2↑+7H2O.

例7(2013年新課標(biāo)卷第27(3)題) 某離子電池正極材料有鈷酸鋰(LiCoO2),導(dǎo)電劑乙炔黑和鋁箔等．現(xiàn)欲利用圖2工藝流程回收正極材料中的某些金屬資源(部分條件未給出)．

圖2

“酸浸”一般在80℃下進(jìn)行,寫出該步驟中發(fā)生的所有氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式________;可用鹽酸代替H2SO4和H2O2的混合液,但缺點是______．

例8(2013年安徽卷第27(2)題) 向二氧化鈰(CeO2)固體中加稀硫酸和H2O2,所得溶液中含有Ce3+的反應(yīng)的離子方程式是________.

解析CeO2變成Ce3+,Ce的化合價降低,則O的化合價要升高．

2CeO2+H2O2+6H+=2Ce3++O2↑+4H2O.

3.4 以制備其他過氧化物為載體考查

(4) 步驟③中反應(yīng)的化學(xué)方程式為________,該反應(yīng)需要在冰浴下進(jìn)行,原因是________．

解析步驟③中CaCl2與H2O2發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成CaO2:CaCl2+H2O2=CaO2↓+2HCl,HCl再與NH3·H2O 反應(yīng)生成NH4Cl和H2O,總反應(yīng)為CaCl2+2NH3·H2O+H2O2=CaO2↓+2NH4Cl+2H2O或CaCl2+2NH3·H2O+H2O2+6H2O=CaO2·8H2O↓+2NH4Cl．H2O2受熱易分解,所以反應(yīng)需在冰浴下進(jìn)行．

3.5 以H2O2的分解為載體考查

例10(2015年天津卷第3題)下列說法不正確的是( ).

A Na與H2O的反應(yīng)是熵增的放熱反應(yīng),該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;

B 飽和Na2SO4溶液或濃硝酸均可使蛋白質(zhì)溶液產(chǎn)生沉淀,但原理不同;

C FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解,同等條件下二者對H2O2分解速率的改變相同;

D Mg(OH)2固體在溶液中存在平衡:Mg(OH)2(s)=Mg2+(aq)+2OH-(aq),該固體可溶于NH4Cl溶液

解析FeCl3和MnO2對H2O2分解均有催化作用,但催化效率不同,因此同等條件下二者對H2O2分解速率的改變不同．答案為C.

例11(2014年新課標(biāo)卷Ⅰ第9題)已知分解1 mol H2O2放出熱量98 kJ．在含少量I-的溶液中,H2O2分解的機制為:

H2O2+I-→H2O+IO-(慢)，

H2O2+IO-→H2O+O2+I-(快).

下列有關(guān)該反應(yīng)的說法正確的是( ).

A 反應(yīng)速率與I-濃度有關(guān);

B IO-也是該反應(yīng)的催化劑;

C 反應(yīng)活化能等于98 kJ·mol-1;

Dv(H2O2)=v(H2O)=v(O2)

解析決定化學(xué)反應(yīng)速率的主要是慢反應(yīng),所以I-濃度越大,則整個反應(yīng)速率越快,選項A正確;催化劑改變反應(yīng)的速率,自身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化,該反應(yīng)的催化劑是I-,IO-是反應(yīng)的中間體,選項B錯誤;98 kJ·mol-1是該反應(yīng)的反應(yīng)熱,反應(yīng)活化能應(yīng)大于98 kJ·mol-1,選項C錯誤;過氧化氫分解方程式為2H2O2=2H2O+O2↑,v(H2O2)=2v(O2),選項D錯誤．

變式訓(xùn)練(2014年廣東卷第33題) H2O2是一種綠色氧化還原試劑,在化學(xué)研究中應(yīng)用廣泛．

(1) 某小組擬在同濃度Fe3+的催化下,探究H2O2濃度對H2O2分解反應(yīng)速率的影響．限選試劑與儀器:30% H2O2、0.1mol·L-1Fe2(SO4)3、蒸餾水、錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導(dǎo)管、量筒、秒表、恒溫水浴槽、注射器.

(ⅰ) 寫出H2O2分解反應(yīng)方程式并標(biāo)明電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目________．

(ⅱ) 設(shè)計實驗方案：在不同H2O2濃度下,測定____(要求所測得的數(shù)據(jù)能直接體現(xiàn)反應(yīng)速率大小)．

(ⅲ) 設(shè)計實驗裝置，完成如圖3裝置示意圖.

圖3

(ⅳ) 參照表1格式,擬定實驗表格,完整體現(xiàn)實驗方案(列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)用字母表示)．

表1

(ⅱ) 收集相同體積的氧氣所需時間或者相同時間內(nèi)所收集氧氣的體積.

(ⅳ) 見表2和3.

表2

表3

安徽淮南二中)