二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)的再探究

朱成東 馬超

摘要：通過傳統(tǒng)實驗，包裹過氧化鈉的脫脂棉在二氧化硫氣體中燃燒的實驗來證明SO2與Na2O2反應(yīng)有O2生成，再運用數(shù)字化實驗，測量反應(yīng)過程中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，對于多反應(yīng)并存的復(fù)雜體系，要運用熱力學(xué)與動力學(xué)共同解釋。

關(guān)鍵詞：過氧化鈉;二氧化硫;數(shù)字化實驗;傳統(tǒng)實驗;復(fù)雜體系

文章編號：1008-0546（2022）06-0094-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.021

一、問題的提出

過氧化鈉具有強氧化性，二氧化硫具有強還原性，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，多數(shù)師生認為二氧化硫與過氧化鈉的反應(yīng)不能類比二氧化碳與過氧化鈉的反應(yīng)，而應(yīng)該是過氧化鈉直接氧化二氧化硫得到Na2SO4，不是Na2SO3和O2。通過知網(wǎng)對關(guān)鍵詞“過氧化鈉”進行檢索，并對過氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)的已有文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)二氧化硫與過氧化鈉反應(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)認為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2S04的，主要是通過檢驗產(chǎn)物中含有硫酸根來驗證[1，2]，認為反應(yīng)的產(chǎn)物為Na2SO，，檢驗產(chǎn)物中有氧氣來驗證[3，4]，認為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2SO4和Na2SO3混合物的，既檢驗有氧氣生成，又檢驗固體中含有硫酸根來驗證[5，6]，基本沒有從反應(yīng)的過程進行探究，下面筆者再次運用傳統(tǒng)實驗來檢驗氧氣的生成，運用數(shù)字化實驗探究過氧化鈉與二氧化硫的反應(yīng)過程。

二、實驗設(shè)計

1.實驗儀器和藥品

實驗儀器：氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)軟件（Logger Pro 3）、集氣瓶、三頸燒瓶、鐵架臺

實驗藥品：過氧化鈉（AR）、硫酸（AR）、無水亞硫酸鈉（AR）、脫脂棉

2.傳統(tǒng)實驗裝置（見圖1）及實驗步驟

（1）用無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）用藥匙取適量過氧化鈉，用脫脂棉包裹。

（3）用鑷子將包裹有過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)字化實驗裝置（見圖2）及實驗步驟

（1）將計算機、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器依次相連。

（2）用無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Logger Pr0 3（軟件），點擊“采集”按鈕，用藥匙取少量過氧化鈉從右端加入三頸燒瓶中，迅速塞緊瓶塞。

三、實驗現(xiàn)象及分析

傳統(tǒng)實驗中，脫脂棉劇烈燃燒，數(shù)字化實驗中，ab段氧氣的含量迅速升高，均可說明二氧化硫與過氧化鈉反應(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）

對數(shù)字化實驗的曲線圖進行分析，bc段氧氣的含量慢慢降低，說明氧氣總量被消耗，即生成氧氣的量小于消耗氧氣的量或者僅消耗氧氣，證實了亞硫酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕c的過程，同時也說明曲線ab段氧氣含量增加，是因為生成氧氣的量大于消耗的量，所以整個過程發(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）式來看，沒有氧氣生成，但從實驗結(jié)束來看反應(yīng)體系中生成的氧氣沒有被完全消耗，c點高于a點，說明固體混合物中仍含有少量亞硫酸鈉，即補做實驗驗證，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、實驗結(jié)論及解釋

通過以上實驗可以得出，二氧化硫雖具有強還原性，過氧化鈉具有強氧化性，但其反應(yīng)過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，生成的氧氣會繼續(xù)把亞硫酸鈉氧化成硫酸鈉，所以對僅從反應(yīng)的產(chǎn)物檢驗含有硫酸根來說明二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)生成硫酸鈉不夠嚴謹，但以上實驗仍有不足，仍沒有排除二氧化硫與過氧化鈉直接反應(yīng)生成硫酸鈉的可能性。通過查閱資料[7]計算可知，過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)來看，生成硫酸鈉的傾向性更大，反以對上述實驗的結(jié)論可以嘗試從動力學(xué)角度進行解釋，反應(yīng)（1）、（2）的反應(yīng)速率遠大于Na2O2與SO2直接生成硫酸鈉的速率，所以過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)

二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)的傳統(tǒng)實驗探究主要是對反應(yīng)產(chǎn)物進行驗證，而數(shù)字化實驗用氧氣傳感器記錄氧氣含量的變化，從而為推理“反應(yīng)的過程”提供有力的證據(jù)。也說明對于有多個反應(yīng)同時發(fā)生的復(fù)雜體系，我們不僅要從熱力學(xué)的角度思考，更多的時候要結(jié)合動力學(xué)的角度思考，如本文中的二氧化硫與過氧化鈉的反應(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，都是一個體系中發(fā)生多個反應(yīng)，均是從動力學(xué)的角度進行解釋。

本實驗雖然運用數(shù)字化實驗探究了二氧化硫與過氧化鈉反應(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程，但仍然存在著局限和不足，如仍沒有得出二氧化硫直接與過氧化鈉反應(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，希望將來可以設(shè)計出較完美的方案解決二氧化硫是否會直接與過氧化鈉反應(yīng)得到硫酸鈉的問題。

參考文獻

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