濃硝酸與石蕊試液反應機理的探究

文章編號：1005－6629(2010)11－0008－03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

1問題的引出

以硝酸為背景的問題，是化學高考題的熱點之一。例如，硝酸的酸性與強氧化性的并存題：在濃硝酸、稀硝酸中滴入少量石蕊試液，發(fā)生的現(xiàn)象是()。

Ａ. 石蕊試液都變紅色

Ｂ. 石蕊試液都褪色

Ｃ. 在濃硝酸中變紅色，在稀硝酸中褪色

Ｄ. 在稀硝酸中變紅色，在濃硝酸中褪色

正確解析：稀硝酸具有酸性使石蕊變紅，稀硝酸雖有氧化性，但不能將石蕊氧化。濃硝酸既有酸性又有強氧化性，故使石蕊先變紅后褪色。答案：Ｄ。

這類題旨在考查學生對中學化學基礎(chǔ)知識的掌握程度，從不同角度考查學生靈活應用化學知識解決實際問題。但實際上，硝酸與石蕊試液的作用情況遠遠復雜于此。

《化學教育》2006年第1期第61頁，刊有“硝酸與石蕊試液反應本質(zhì)的質(zhì)疑”一文提到：將紫色石蕊試液滴入稀硝酸中，溶液立即變?yōu)榧t色；而室溫下將紫色石蕊試液滴入濃硝酸中，溶液的顏色會由紅色變?yōu)槌壬詈笞優(yōu)辄S綠色，并有大量紅棕色氣體逸出，同時伴隨有大量熱產(chǎn)生。作者把這種現(xiàn)象解釋為：“濃硝酸與石蕊試液作用時，首先是Ｈ+起作用，發(fā)生酸色反應，使紫色石蕊試液變?yōu)榧t色。然后發(fā)生的是硝化反應，硝化反應放出大量的熱，促使未反應完的濃硝酸分解，產(chǎn)生了紅棕色的二氧化氮氣體。稀硝酸與石蕊試液作用時，只能發(fā)生酸色反應”。作者還進一步分析：“石蕊是一種弱的有機酸……濃硝酸具有使有機物硝化的能力，在硝化反應中，硝鎓離子ＮＯ2+作為親電試劑進攻苯環(huán)”。

但是，《化學教育》2007年第5期第55-56頁，“對〈硝酸與石蕊試液反應本質(zhì)的質(zhì)疑〉的實證探索”一文的作者并沒有重復出“黃綠色物質(zhì)”、“大量的紅棕色氣體”及“溶液沸騰”等重要實驗現(xiàn)象；作者認為， “硝鎓離子(ＮＯ2+)發(fā)生硝化反應的對象幾乎僅適合于單環(huán)芳烴”； 因此，“石蕊被濃硝酸硝化還缺乏文獻依據(jù)和嚴謹?shù)睦碚撝巍薄＿^去認為濃硝酸與石蕊的褪色反應本質(zhì)是石蕊被濃硝酸氧化。作者認為，至今還沒有確鑿的事實可以否定這種傳統(tǒng)認識的正確性。

是什么原因?qū)е聦嶒灛F(xiàn)象的迥異呢？濃硝酸導致石蕊試液褪色的真正原因是什么？帶著這個疑問，本人做了以下的實驗。

2實驗設(shè)計

本實驗關(guān)鍵的實驗用品是濃硝酸和紫色石蕊試液。濃硝酸采用新開封的分析純65%~68%的濃硝酸。目前紫色石蕊試液的配制方法主要有兩種：水溶解法和酒精溶解法。

3實驗準備

3.1實驗藥品

濃硝酸（分析純， 65 %~68 %）， 石蕊粉末，酒精（95 %）， 無水乙醇（分析純），蒸餾水

3.2實驗用品

試管（10 mm×100 mm）5支，試管架，帶鐵圈的鐵架臺，膠頭滴管5支，玻璃棒，溫度計（100 ℃）， 燒杯（250 mL）， 燒杯（100 mL）， 試劑瓶（150 mL）2個， 量筒（10 mL）， pH試紙若干，火柴，酒精燈，石棉網(wǎng)，空白標簽若干

3.3石蕊試液的配制

3.3.1水溶解法

在250 mL燒杯中注入150 mL左右的蒸餾水，加入1.5 g石蕊粉末，微熱至50 ℃~60 ℃，攪動加速溶解成深藍紫色石蕊溶液(原液)，備用。在不斷振蕩的條件下，在藍紫色石蕊原液中逐滴加入極稀的H3PO4溶液，直至溶液由藍紫色變成純正的紫色，即成質(zhì)量分數(shù)約為0.5 %～1 %的紫色石蕊水試液。

3.3.2酒精溶解法

在100 mL燒杯中，加入10 mL 95 %酒精和40 mL蒸餾水，混勻后加入0.5 g石蕊粉末，在水浴上攪拌加熱半小時后，冷卻過濾，得到藍紫色溶液。用pH=2的稀硫酸將所得溶液的pH調(diào)制到7~8，即可制得質(zhì)量分數(shù)約為0.5 %~1 %的紫色石蕊酒精試液。

4實驗過程

4.1濃硝酸與石蕊試液的反應

實驗現(xiàn)象：

①溶液由紅色→橙色→亮黃色，并有紅棕色氣體逸出。

②溶液變紅，1 h后紅色稍變淺。

③加石蕊試液后溶液變紅，再加入無水乙醇2 min后，溶液開始劇烈沸騰，由紅色→綠色，并放出大量熱和紅棕色氣體，反應過程中伴隨周期性爆沸現(xiàn)象，直至反應結(jié)束。

④加石蕊試液后溶液變紅，再加入無水乙醇2 min后，溶液開始劇烈沸騰，由紅色→黃色→淺綠色→幾近無色，并放出大量熱和紅棕色氣體，反應過程中伴隨周期性爆沸現(xiàn)象，直至反應結(jié)束。

4.2濃硝酸與無水乙醇的反應

取一潔凈試管，加入濃硝酸3.0 mL，再量取1.5 mL無水乙醇加入試管，2 min后，溶液開始劇烈沸騰，并放出大量熱和紅棕色氣體，反應過程中伴隨周期性爆沸現(xiàn)象，直至反應結(jié)束。

5實驗結(jié)論

實驗現(xiàn)象①與②說明由于乙醇參與反應導致溶液由紅色→橙色→亮黃色，并有大量紅棕色氣體逸出。

實驗現(xiàn)象③與④的差別說明混合反應的產(chǎn)物與反應物濃硝酸與乙醇的投料比有關(guān)。

濃硝酸與石蕊試液的劇烈反應可能是濃硝酸與石蕊試液混有的乙醇反應所致，而不是濃硝酸與石蕊的反應。

6結(jié)果與討論

由以上實驗可知，造成文獻中兩位實驗者所得現(xiàn)象截然不同的原因可能是二者實驗所用的石蕊試液配制方法不同，導致成分有所差異：前者石蕊試液含有乙醇，而后者所用的石蕊試液是用水溶法制得，不含乙醇。

在室溫下，將濃硝酸與乙醇等體積混合，很快就發(fā)生劇烈的氧化反應，放出紅棕色的二氧化氮氣體，若在混合物中滴加數(shù)滴濃硫酸，反應進行得更快、更劇烈。濃硝酸與乙醇還可以發(fā)生酯化反應，但此反應的進行是有條件的。在濃硝酸中先加入適量尿素，然后再加入乙醇，反應即可平穩(wěn)進行。

因此，選用水溶解法配制的石蕊試液作為指示劑滴加濃硝酸，則只有酸色反應，長時間放置才略有褪色；如果選用酒精溶解配制的石蕊試液滴加到濃硝酸中，產(chǎn)生的劇烈反應實質(zhì)應該是硝酸和乙醇的氧化還原反應，而非二者的酯化反應。反應過程中石蕊顏色變化的原因則要從石蕊的結(jié)構(gòu)分析：

石蕊的結(jié)構(gòu)復雜，實驗式為： C106H79O26N4

其次濃硝酸與乙醇發(fā)生劇烈的氧化還原反應，釋放出大量的熱和二氧化氮氣體，石蕊分子中的助色團（-OH）在此過程中被破壞，顏色變淺（由紅色→橙色→黃色），隨著乙醇所占比例的加大，石蕊分子中的主要發(fā)色團（ ）被破壞，顏色就幾乎褪成無色。石蕊結(jié)構(gòu)復雜，有多個發(fā)色中心，因此伴隨著一定配比的濃硝酸與乙酸的劇烈反應，紅色的石蕊還可能變?yōu)榫G色（如表1中的步驟③）。

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