朱成東 馬超

摘要：通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，包裹過(guò)氧化鈉的脫脂棉在二氧化硫氣體中燃燒的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明SO2與Na2O2反應(yīng)有O2生成，再運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中O2含量的變化，推理出SO2與Na2O2反應(yīng)中先反應(yīng)生成亞硫酸鈉與氧氣，氧氣再氧化亞硫酸鈉的事實(shí)，對(duì)于多反應(yīng)并存的復(fù)雜體系，要運(yùn)用熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)共同解釋。

關(guān)鍵詞：過(guò)氧化鈉;二氧化硫;數(shù)字化實(shí)驗(yàn);傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);復(fù)雜體系

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06-0094-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.021

一、問(wèn)題的提出

過(guò)氧化鈉具有強(qiáng)氧化性，二氧化硫具有強(qiáng)還原性，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，多數(shù)師生認(rèn)為二氧化硫與過(guò)氧化鈉的反應(yīng)不能類(lèi)比二氧化碳與過(guò)氧化鈉的反應(yīng)，而應(yīng)該是過(guò)氧化鈉直接氧化二氧化硫得到Na2SO4，不是Na2SO3和O2。通過(guò)知網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵詞“過(guò)氧化鈉”進(jìn)行檢索，并對(duì)過(guò)氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)的已有文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二氧化硫與過(guò)氧化鈉反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物有三種可能：Na2SO4、Na2SO3、Na2SO4和Na2SO3的混合物，并且發(fā)現(xiàn)認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2S04的，主要是通過(guò)檢驗(yàn)產(chǎn)物中含有硫酸根來(lái)驗(yàn)證[1，2]，認(rèn)為反應(yīng)的產(chǎn)物為Na2SO，，檢驗(yàn)產(chǎn)物中有氧氣來(lái)驗(yàn)證[3，4]，認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2SO4和Na2SO3混合物的，既檢驗(yàn)有氧氣生成，又檢驗(yàn)固體中含有硫酸根來(lái)驗(yàn)證[5，6]，基本沒(méi)有從反應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行探究，下面筆者再次運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)氧氣的生成，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究過(guò)氧化鈉與二氧化硫的反應(yīng)過(guò)程。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件（Logger Pro 3）、集氣瓶、三頸燒瓶、鐵架臺(tái)

實(shí)驗(yàn)藥品：過(guò)氧化鈉（AR）、硫酸（AR）、無(wú)水亞硫酸鈉（AR）、脫脂棉

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）及實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用無(wú)水亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)制取二氧化硫，并收集一集氣瓶二氧化硫氣體。

（2）用藥匙取適量過(guò)氧化鈉，用脫脂棉包裹。

（3）用鑷子將包裹有過(guò)氧化鈉的脫脂棉放人盛有二氧化硫氣體的集氣瓶中。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖2）及實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器依次相連。

（2）用無(wú)水亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)制取并用三頸燒瓶收集二氧化硫氣體。

（3）將氧氣傳感器塞人三頸燒瓶中間接口（如圖2），打開(kāi)Logger Pr0 3（軟件），點(diǎn)擊“采集”按鈕，用藥匙取少量過(guò)氧化鈉從右端加入三頸燒瓶中，迅速塞緊瓶塞。

三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，脫脂棉劇烈燃燒，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，ab段氧氣的含量迅速升高，均可說(shuō)明二氧化硫與過(guò)氧化鈉反應(yīng)生成了氧氣，即產(chǎn)物中有亞硫酸鈉生成，發(fā)生的反應(yīng)：

2Na2O2+2SO2==2Na2SO3+O2

（1）

對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的曲線(xiàn)圖進(jìn)行分析，bc段氧氣的含量慢慢降低，說(shuō)明氧氣總量被消耗，即生成氧氣的量小于消耗氧氣的量或者僅消耗氧氣，證實(shí)了亞硫酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕c的過(guò)程，同時(shí)也說(shuō)明曲線(xiàn)ab段氧氣含量增加，是因?yàn)樯裳鯕獾牧看笥谙牡牧?，所以整個(gè)過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)也有：

2Na2SO3+O2= 2Na2SO4

（2）

將反應(yīng)（1）+（2）得總反應(yīng)：

Na2O2+SO2==Na2SO4

（3）

從總反應(yīng)方程（3）式來(lái)看，沒(méi)有氧氣生成，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)束來(lái)看反應(yīng)體系中生成的氧氣沒(méi)有被完全消耗，c點(diǎn)高于a點(diǎn)，說(shuō)明固體混合物中仍含有少量亞硫酸鈉，即補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取少量反應(yīng)后的固體混合物，滴加酸性高錳酸鉀溶液，看到溶液紫色褪去。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及解釋

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以得出，二氧化硫雖具有強(qiáng)還原性，過(guò)氧化鈉具有強(qiáng)氧化性，但其反應(yīng)過(guò)程中仍有大量亞硫酸鈉和氧氣生成，并伴隨著反應(yīng)放出大量的熱，生成的氧氣會(huì)繼續(xù)把亞硫酸鈉氧化成硫酸鈉，所以對(duì)僅從反應(yīng)的產(chǎn)物檢驗(yàn)含有硫酸根來(lái)說(shuō)明二氧化硫與過(guò)氧化鈉反應(yīng)生成硫酸鈉不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但以上實(shí)驗(yàn)仍有不足，仍沒(méi)有排除二氧化硫與過(guò)氧化鈉直接反應(yīng)生成硫酸鈉的可能性。通過(guò)查閱資料[7]計(jì)算可知，過(guò)氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)生成1 mol Na2SO4的△rGe =-522.5 KJ.mol-l，生成1 mol Na2SO3與0.5 mol O2的△.Ce =-264.8 KJ.mol-l，從熱力學(xué)來(lái)看，生成硫酸鈉的傾向性更大，反以對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論可以嘗試從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行解釋?zhuān)磻?yīng)（1）、（2）的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于Na2O2與SO2直接生成硫酸鈉的速率，所以過(guò)氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)迅速生成亞硫酸鈉與氧氣，亞硫酸鈉再被氧氣氧化成硫酸鈉。

五、小結(jié)

二氧化硫與過(guò)氧化鈉反應(yīng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究主要是對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)用氧氣傳感器記錄氧氣含量的變化，從而為推理“反應(yīng)的過(guò)程”提供有力的證據(jù)。也說(shuō)明對(duì)于有多個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的復(fù)雜體系，我們不僅要從熱力學(xué)的角度思考，更多的時(shí)候要結(jié)合動(dòng)力學(xué)的角度思考，如本文中的二氧化硫與過(guò)氧化鈉的反應(yīng)，再比如氯化鐵溶液與亞硫酸鈉溶液反應(yīng)的現(xiàn)象不是混合后會(huì)立即觀察到溶液變?yōu)闇\綠色，而是溶液先變?yōu)榧t褐色，一段時(shí)間后溶液顏色變淺，再比如新制氯水使石蕊試紙先變紅后褪色等等，都是一個(gè)體系中發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，均是從動(dòng)力學(xué)的角度進(jìn)行解釋。

本實(shí)驗(yàn)雖然運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究了二氧化硫與過(guò)氧化鈉反應(yīng)中氧氣的生成及消耗，證明了該反應(yīng)先生成亞硫酸鈉，亞硫酸鈉再被氧氣氧化的過(guò)程，但仍然存在著局限和不足，如仍沒(méi)有得出二氧化硫直接與過(guò)氧化鈉反應(yīng)得到硫酸鈉的證據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及表征手段的不斷完善，希望將來(lái)可以設(shè)計(jì)出較完美的方案解決二氧化硫是否會(huì)直接與過(guò)氧化鈉反應(yīng)得到硫酸鈉的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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