運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究氯水中化學(xué)平衡的存在

馬善恒+夏建華+姚如富

摘要：使用pH傳感器、氯離子傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器等儀器，測定了溫度、c（Cl-）、c（H+）等的改變對于氯水中pH、氯離子濃度的影響，表征了氯水中平衡的存在。對氯水加熱過程中pH和c（Cl-）同時(shí)減小的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出體系中HClO2和HClO3的生成是導(dǎo)致氯離子和pH減小的原因。

關(guān)鍵詞：數(shù)字實(shí)驗(yàn)；傳感器；氯水；化學(xué)平衡；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）7–0071–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題提出

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

電腦（帶有威尼爾軟件）、數(shù)據(jù)采集器、氯離子傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器、磁力攪拌器；飽和氯水、0.1mol/L NaOH溶液、濃H2SO4、0.1mol/L NaCl溶液等

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.5 設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)勒夏特列原理，當(dāng)改變一個(gè)平衡體系的外界條件時(shí)，平衡將向著減弱這種改變的方向移動(dòng)。筆者依次向飽和氯水中滴加濃硫酸、氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液，測定溶液中c（Cl-）與pH變化，以驗(yàn)證勒夏特列原理。特設(shè)計(jì)如下3個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1 在飽和氯水中滴加1mL濃硫酸，測c（Cl-）與pH；

實(shí)驗(yàn)2 在飽和氯水中滴加1mL 0.1mol/L NaCl溶液，測c（Cl-）與pH；

實(shí)驗(yàn)3 在飽和氯水中滴加1mL 0.1mol/L NaOH溶液，測c（Cl-）與pH；

對飽和氯水進(jìn)行加熱，會(huì)出現(xiàn)氯氣揮發(fā)、次氯酸分解等現(xiàn)象，為弄清楚加熱最終對溶液中c（Cl-）與pH造成什么影響，特設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)4：加熱飽和氯水，同時(shí)測溶液中c（Cl-）、pH及溫度的變化。

2.6 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)1 向20mL飽和氯水中滴加1mL濃硫酸，測c（Cl-）與pH變化如圖2所示。

現(xiàn)象與分析：c（H+）增大、c（Cl-）減小，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說明加入濃硫酸，增加了c（H+），pH降低，使得氯氣與水反應(yīng)的平衡逆向移動(dòng)，c（Cl-）降低。

實(shí)驗(yàn)2 向20mL飽和氯水中滴加1mL 0.1mol/L NaCl溶液，測c（Cl-）與pH變化如圖3所示。

現(xiàn)象與分析：c（Cl-）增大、c（H+）減小，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說明加入氯化鈉溶液，增加了c（Cl-），使得氯氣與水反應(yīng)的平衡逆向移動(dòng)，c（H+）減小，pH增大。

實(shí)驗(yàn)3 向20mL飽和氯水中滴加1mL 0.1mol/L NaOH溶液，測c（Cl-）與pH變化如圖4所示。

現(xiàn)象與分析：c（H+）減小、c（Cl-）增大，與預(yù)期現(xiàn)象相同。說明加入氫氧化鈉溶液，增加了c（OH-）， pH升高，使得氯氣與水反應(yīng)的平衡正向移動(dòng)，c（Cl-）增加。

實(shí)驗(yàn)4 對20mL飽和氯水加熱，測c（Cl-）、pH及溫度變化如圖5所示。

現(xiàn)象與分析：隨著溫度的升高，c（Cl-）減小，c（H+）升高，與預(yù)期現(xiàn)象不符合，為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？氯氣與水的反應(yīng)是放熱還是吸熱過程，是不是反應(yīng)產(chǎn)物HClO在加熱過程中發(fā)生了分解，升高溫度是否帶來什么新的化學(xué)變化？

為了探究這種反常現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，筆者又設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來探究氯水制備過程中的熱效應(yīng)以及加熱過程中HClO是否會(huì)分解。

實(shí)驗(yàn)5 測定氯水制備過程的熱效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)步驟：在通風(fēng)櫥內(nèi)向裝有80mL蒸餾水的錐形瓶（瓶口塞上棉花團(tuán)）中鼓入氯氣，至溶液中pH沒有明顯變化停止通入氯氣，使用數(shù)據(jù)采集器，測定在此過程中溶液內(nèi)溫度及pH變化。具體數(shù)據(jù)如圖6所示。

分析：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氯氣與水的反應(yīng)是放熱反應(yīng)。因此加熱過程中氯氣與水的反應(yīng)向著逆反應(yīng)方向移動(dòng)，這可以解釋為什么氯離子濃度降低。

實(shí)驗(yàn)6 測定加熱過程中HClO是否分解。

實(shí)驗(yàn)步驟：取30mL飽和氯水注入三頸瓶內(nèi)，并插入氧氣傳感器和溫度傳感器，密閉容器，再將三頸瓶置于熱水中。使用數(shù)據(jù)傳感器測定隨著溫度的升高，三頸瓶內(nèi)氧氣含量的變化。具體數(shù)據(jù)如圖7所示。

分析：從圖中可知，加熱過程中，隨著溫度的升高，氧氣的含量逐漸增大，說明加熱也促進(jìn)了次氯酸的分解，生成了HCl與O2。

3 結(jié)果與討論

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氯氣與水的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，存在化學(xué)平衡。當(dāng)改變平衡體系中某種組分的濃度時(shí)，化學(xué)平衡向著減弱這種改變的方向移動(dòng)，符合勒夏特列原理。

至于為什么升高溫度c（Cl-）減小的同時(shí)c（H+）增大？結(jié)合實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)6，筆者又查閱了相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，次氯酸在水溶液中能同時(shí)發(fā)生以下反應(yīng)：

在加熱過程中c（Cl-）減小、c（H+）升高，這種現(xiàn)象是多個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行帶來的結(jié)果，即：溫度升高使氯氣與水的反應(yīng)（放熱反應(yīng)）逆向進(jìn)行，此外加熱帶來氯氣的揮發(fā)，同樣促使該反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，因此氯離子的濃度減少；但同時(shí)HClO分解產(chǎn)生 HCl和O2，以及HClO歧化生成HCl和HClO3這兩個(gè)過程都生成強(qiáng)酸，電離程度大大增強(qiáng)，因此溶液中氫離子濃度也應(yīng)該是增大的，這兩者之間并不矛盾?！稛o機(jī)化學(xué)叢書》第六卷中也對反應(yīng)③的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了解釋，認(rèn)為該反應(yīng)分兩步進(jìn)行：

4 結(jié)語

化學(xué)平衡的存在之前更多地停留在教師的口頭講解上，本文使用pH傳感器、氯離子傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器等儀器，在學(xué)生面前直觀地展現(xiàn)出平衡的存在，讓平衡移動(dòng)變得“摸得著、看得見”，對于學(xué)生理解勒夏特列原理非常有幫助。氯水加熱過程中呈現(xiàn)出pH、c（Cl-）同時(shí)減小，對一系列平衡移動(dòng)導(dǎo)致結(jié)果不同進(jìn)行了分析，可促使學(xué)生綜合分析問題及實(shí)驗(yàn)探究能力的提升。

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