過(guò)氧化鈉與干燥的二氧化碳不能反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探討

吳正帥+丁元東

1 問(wèn)題的提出

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)（必修1）教材介紹過(guò)氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)時(shí)，這樣敘述：“過(guò)氧化鈉與二氧化碳起反應(yīng)，生成碳酸鈉和氧氣：2Na2O2+2CO2=2NaCO3+O2。因此，它用在呼吸面具上和潛水艇里作為氧氣的來(lái)源。”近年來(lái)，與此反應(yīng)有關(guān)的習(xí)題、實(shí)驗(yàn)在各種書(shū)刊、專題中屢見(jiàn)不鮮，大都涉及到了過(guò)氧化鈉與干燥的二氧化碳能否反應(yīng)？這些習(xí)題及實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)給讀者（學(xué)生）是否會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)呢？基于此，筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

多用V形試管、硬質(zhì)玻璃管、U型管、125 mL氣體洗瓶、125 mL集氣瓶、水槽、鐵架臺(tái)、鐵夾（萬(wàn)能夾）、膠塞（帶玻璃導(dǎo)管）、乳膠管。

鹽酸（1∶1）、小塊大理石、過(guò)氧化鈉、濃硫酸（98%）、飽和碳酸氫鈉溶液、氫氧化鈉溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）檢查整套裝置的氣密性。

（2）于V形試管中分別裝入約4 g大理石及12 mL1∶1的鹽酸；于4個(gè)氣體洗瓶中分別加入約115 mL飽和碳酸氫鈉溶液（B）、濃硫酸（C、F）、氫氧化鈉溶液（G）；于U型管（D）中加入無(wú)水硫酸銅；于硬質(zhì)玻璃管（E）中加入約2 g過(guò)氧化鈉粉末，使其平鋪硬質(zhì)玻璃管中，水槽中裝入適量水，備好集氣瓶。

（3）按裝置圖連接好各儀器。

（4）傾斜V形試管，鹽酸與大理石接觸，即產(chǎn)生大量氣泡。依次觀察到圖中B、C、F、G各氣體洗瓶中均有氣泡翻動(dòng)；D中顏色無(wú)變化，H中基本沒(méi)有現(xiàn)象；E中過(guò)氧化鈉未有任何變化。

（5）從裝置中刪去C、D、F干燥二氧化碳的氣體洗瓶，重新將裝置連接好，重復(fù)前面操作。除E外，各裝置中均有氣泡產(chǎn)生。觀察E中的過(guò)氧化鈉會(huì)發(fā)現(xiàn)管壁漸漸模糊（即有水進(jìn)入），淺黃色過(guò)氧化鈉粉末先變深后又變白（水多時(shí)可明顯看到氣泡）。檢驗(yàn)集氣瓶H中收集到的氣體，是氧氣。

2.4 實(shí)驗(yàn)原理

（1）用A來(lái)產(chǎn)生二氧化碳，B可除去混入二氧化碳中的氯化氫氣體；C干燥二氧化碳；D檢驗(yàn)二氧化碳中是否存在水蒸氣：F防止空氣中水蒸氣進(jìn)入；G可吸收二氧化碳；H收集氧氣。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟4中的現(xiàn)象說(shuō)明過(guò)氧化鈉沒(méi)有與干燥的二氧化碳反應(yīng)。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟5說(shuō)明過(guò)氧化鈉與不經(jīng)過(guò)干燥的二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證實(shí)過(guò)氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)必須有水參加，否則反應(yīng)難以發(fā)生。

2.6 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1）要控制好二氧化碳?xì)饬鞯拇笮?，以保證其絕對(duì)干燥。

（2）所用的過(guò)氧化鈉試劑要純。

（3）若實(shí)驗(yàn)失敗，說(shuō)明二氧化碳干燥不夠，可再增加一個(gè)干燥裝置，串接于裝置B的后面。

3 理論分析

298 K，101 kPa時(shí)相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)，見(jiàn)表1。

若取1 mol過(guò)氧化鈉，根據(jù)表1中的有關(guān)數(shù)據(jù)、ΔGo=ΔHo—TΔSo，求得反應(yīng)的有關(guān)數(shù)據(jù)為：

ΔHo=-226.32 kJ·mol-1<0；

ΔSo=-71.07 kJ·mol-1·K-1<0；

ΔGo=-202.45 kJ·mol-1<0。

由計(jì)算數(shù)據(jù)可以說(shuō)明：反應(yīng)低溫自發(fā)進(jìn)行，又由于ΔGo為負(fù)值，所以在低溫條件下，這是一個(gè)可以自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng)。

那么為何會(huì)出現(xiàn)過(guò)氧化鈉跟干燥二氧化碳不反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？其實(shí)，熱力學(xué)只能告訴我們，在某種條件下變化是否能夠發(fā)生，進(jìn)行到什么程度，但不能告訴我們變化所需的時(shí)間、變化發(fā)生的根本原因以及經(jīng)歷的歷程。一個(gè)化學(xué)反應(yīng)既受熱力學(xué)因素的影響也受動(dòng)力學(xué)因素影響，同位素原子示蹤實(shí)驗(yàn)證明Na2O2與C18O2在有H182O存在的條件下反應(yīng)機(jī)理為：

Na2O2+C18O2+H182O=Na2C18O3+2H2O+O2。

筆者認(rèn)為，雖然從熱力學(xué)方面分析，這個(gè)反應(yīng)是可以進(jìn)行的，但由于受動(dòng)力學(xué)因素的影響，上述反應(yīng)在干燥條件下反應(yīng)速率很慢，幾乎無(wú)實(shí)質(zhì)性變化。所以會(huì)得出過(guò)氧化鈉與干燥二氧化碳不反應(yīng)的結(jié)論。尤為值得注意的是：即使一個(gè)反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算是自發(fā)的反應(yīng)，但在實(shí)際過(guò)程中會(huì)由于動(dòng)力學(xué)因素而不會(huì)有反應(yīng)發(fā)生。

4 結(jié)論

當(dāng)過(guò)氧化鈉與二氧化碳有水存在時(shí)，引發(fā)以下反應(yīng)：

反應(yīng)為：第一步，Na2O2與H2O反應(yīng)生成H2O2。

Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2。

第二步：H2O2不穩(wěn)定隨即發(fā)生分解。

反應(yīng)為：2H2O2=2H2O+O2↑。

第三步：CO2與第一步反應(yīng)中生成的NaOH反應(yīng)。

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O。

以上3個(gè)反應(yīng)合并，便得出總反應(yīng)方程式：

2Na2O2+4H2O+2CO2=2Na2CO3+4H2O+O2。

即：2Na2O2+2CO2=2NaCO3+O2。

從反應(yīng)歷程來(lái)看，三步反應(yīng)均為快速反應(yīng)，有水存在就加快了整個(gè)反應(yīng)的速率；從合并的化學(xué)方程式看，在反應(yīng)過(guò)程中，水既是反應(yīng)物又是生成物，且反應(yīng)前后總量不變，相當(dāng)于起了正催化劑的作用。事實(shí)上在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，并不是加入一滴水就可以使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行到底的，一方面該反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)會(huì)由于放熱而帶走水分，另一方面實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)物會(huì)因水而結(jié)成塊狀，進(jìn)而覆蓋在過(guò)氧化鈉表面而使反應(yīng)終止。另外，過(guò)氧化鈉是強(qiáng)吸濕性物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者有時(shí)會(huì)忽略這種物質(zhì)的自身性質(zhì)，在藥品存在濕存水、藥品因暴露在空氣中而吸潮等客觀因素的干擾下做實(shí)驗(yàn)，誤認(rèn)為過(guò)氧化鈉跟二氧化碳在無(wú)水條件下也起反應(yīng)。

收稿日期：2016-09-13