利用传感技术探究次氯酸光照分解的实验

2013-02-27朱卫华

化学教与学 2013年11期

关键词：氯水次氯酸氯气

朱卫华

利用传感技术探究次氯酸光照分解的实验

朱卫华

（无锡市第一中学江苏无锡214031）

采用传感技术，通过pH传感器和导电率传感器实时监测次氯酸光照分解过程中溶液的pH和导电率，借助计算机直接绘制出相应的变化曲线，同时结合理论计算，对次氯酸光照分解实验进行了初步研究。

传感技术；氯水；次氯酸；光照分解

一、问题的提出

氯水中的次氯酸不稳定，容易分解放出氧气，在阳光的照射下，次氯酸分解加快。传统做这个实验，可以在圆底烧瓶中装满氯水，将烧瓶倒放在装有水的水槽中，用光线照射，在烧瓶中收集到氧气。该实验出现明显的现象所需的时间较长，一般要十天左右，所以教材中一般没有这个实验。全日制普通高级中学教科书（必修）《化学》第一册中只是在正文旁边放了一张该实验的装置示意图（图1），而如今的普通高中课程标准实验教科书，不管是苏教版、人教版还是鲁科版，连这张图都没有，直接是作为一个信息告诉学生让学生记忆，很难让学生直观地感受次氯酸光照分解的过程。

图1 氯水受光照的实验

在多年的教学过程中，笔者也感觉到要想做好这一实验有时间长、现象不明显、合适的光源难找等较多的难点。而传感技术能够实时直接监测实验过程中曲线的变化，不同的传感器能够检测传统实验手段无法检测的物理量，有力地弥补了传统实验手段的不足。由于氯水中的次氯酸光照分解生成盐酸，溶液的pH会降低、导电率会增强，所以我们尝试利用pH传感器和导电率传感器实时监测光照条件下氯水的pH和导电率的变化，通过相应的曲线引起学生的思考，进而探索出分解的产物。

二、实验过程

所需用到的仪器与用品有：pH传感器（pHBTA）、导电率传感器（C0N-BTA）、数据采集器（VENIERLabPro）、计算机及其相配套的软件（Logger Pro）、大功率冷光源台灯、烧杯、氯水。

1.实验步骤

（1）组装实验装置，将pH传感器、数据采集器、计算机三者相连接。

（2）在烧杯中加入少量氯水，插入pH传感器，打开台灯光照氯水，对氯水的pH变化进行测定。

（3）组装实验装置，将导电率传感器、数据采集器、计算机三者相连接。

（4）在烧杯中加入少量氯水，插入导电率传感器，打开台灯光照氯水，对氯水的导电率变化进行测定。

2.实验现象记录

表1 实验现象记录

3.实验数据记录

图2 反应过程中的pH变化示意图

图3 反应过程中导电率变化示意图

4.实验现象的分析和理论计算

图2和图3中显示，氯水光照的过程中，pH不断降低，导电率不断增强，这说明次氯酸见光分解产生了强酸，学生会联想到光照分解的产物——盐酸以及氧气。实验起始时pH和导电率变化很快，后来较慢，与次氯酸的浓度变化有关。随着次氯酸的分解，次氯酸的浓度不断降低，分解速率就不断减慢。

氯气溶于水，1L水溶解2L氯气达到饱和，粗略计算氯水的物质的量浓度是0.0921mol/L。但是氯气溶于水会跟水发生反应，并很快达到平衡：

此反应的平衡常数为K=4.2×10-4，由此计算各物质的平衡浓度：

c（Cl2）=0.062mol/L

c（HCl0）=0.030mol/L

c（HCl）=0.030mol/L

考虑到HCl0的电离平衡常数较小（查阅文献4为3.0×10-8），所以HCl0电离出的H+可以忽略，由此可以求出饱和氯水的pH为1.52。但是，氯气溶于水需要较长的时间才能达到饱和，而且浓度越大的氯水，氯气的扩散越慢，氯气的溶解能力越差。因此通常所用的氯水实际上是不饱和的，各成分的实际浓度比上面的理论值要低。比如：图2显示，实验前氯水的pH约为1.72左右。

通过采集的数据，可以估算出次氯酸的分解率。实验开始时氯水的pH为1.72，c（H+）=0.01905mol/L，忽略HCl0的电离，c（HCl）=0.01905mol/L，则此时的c（HCl0）=0.01905mol/L；实验开始后，pH减小，c（H+）增大，新增的H+就是HCl0分解产生的。由此可以计算出次氯酸的分解率（见表2）。可以清楚地发现，光照少量的氯水，80分钟后次氯酸几乎全分解，40分钟就能分解了一大半，在图像上已经能清楚地看到pH的变化，可用于课堂演示使用。至于导电率的变化，10分钟左右就能看到明显的变化，更有力地说明了次氯酸的分解。