數字化實驗在中學化學疑難問題解決中的應用一例

沈小祥

摘要：H+、NO3-、Br-能否大量共存是一個困擾很多中學生的問題，有的老師也說不清。文章結合理論推導并利用色度傳感器實驗對這個問題進行了研究。研究發現，常溫常壓下，無論濃硝酸還是稀硝酸都能夠將溴離子氧化，且硝酸和溴離子的濃度越大，反應越容易進行，即H+、NO3-和Br-不能大量共存。

關鍵詞：硝酸;溴離子;共存;傳感器實驗

文章編號：1008-0546（2014）12-0086-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.12.033

一、問題的提出

我們在平時教學中會遇到H+、NO3-、Br-能否大量共存的問題，我們知道NO3-在酸性環境中具有較強的氧化性，而Br-具有還原性，幾種離子能否發生氧化還原反應呢？對于這個問題，各個老師會有不同的想法：有人根據H+、NO3-和I-不能大量共存的事實，類推出H+、NO3-、Br-也不能大量共存;也有人認為，Br-的還原性弱于I-，到底H+、NO3-、Br-能否大量共存值得商榷。事實究竟如何？本文結合能斯特方程進行了理論分析，并利用數字傳感器實驗予以探討。

二、理論推導

筆者假設外界條件為常溫常壓（25℃，101325Pa），根據大學無機化學教材，筆者查閱到以下相關標準電極電勢數據（表1）：

標準電極電勢越高，氧化劑的氧化性越強;標準電極電勢越低，還原劑的還原性愈強。由上表可知？漬/NO=1.087V，無論是？漬/NO還是？漬/NO2均比標準態的？漬Br（aq）/Br-小，因而在標準態時，硝酸無法將溴離子氧化。但如果改變離子的濃度，H+、NO3-、Br-能否大量共存呢？

根據能斯特方程，如果要使H+、NO3-、Br-發生反應，可以采用增大溴離子的濃度從而減小其電極電勢或者增大硝酸的濃度從而增大其電極電勢的方法。實驗室中常見的分析純氫溴酸的質量分數大于40%，筆者查到室溫下飽和氫溴酸的質量分數為68.85%，密度為1.49g/mL，根據c=，即c==12.68mol/L，當氫溴酸和硝酸以體積比1∶1混合時，溴離子的濃度近似為6.5mol/L，根據？漬=？漬θ+1g可算得？漬Br（aq）/Br-=1.039V，能否通過增大硝酸的濃度，使該半反應的電極電勢大于1.039V？

一般認為硝酸的濃度越大，氧化性越強，筆者在后面的實驗中取用的是68%的濃硝酸，其密度為1.51g/mL，根據c=，可算得c（HNO3） =16.30 mol/L，其發生的電極反應為：NO3-+2H++e-=NO2（g）+H2O，當氫溴酸和硝酸以體積比1∶1混合時，硝酸根的濃度近似為8 mol/L，氫離子濃度近似為15 mol/L（氫溴酸中也有氫離子）。

假設產物NO2的分壓為一個大氣壓（101325Pa），由能斯特方程式：

？漬/NO2= ？漬θNO/ NO2+1g= 0.803+1g=0.995，此時？漬/NO2 < ？漬Br（aq）/Br-， 實驗中筆者還采用了2mol/L的硝酸和12.68 mol/L的氫溴酸混合以體積比1∶1混合，硝酸根的濃度近似為1mol/L，氫離子濃度近似為8mol/L，假設產物NO的分壓為101325Pa，由能斯特方程式：

？漬/NO= ？漬θ/ NO+1g=0.96+1g=0.996，此時？漬NO/NO<？漬Br（aq）/ Br-。由能斯特方程可知，無論生成NO還是NO2若以分壓為101325Pa計算，硝酸無法將溴離子氧化。

但若NO或NO2氣體的分壓小于一個大氣壓，據能斯特方程計算式

？漬/NO2= ？漬θ/ ?NO2+1g或

？漬/ NO= ？漬θ/ NO+1g

可知，<1或<1時，也可能使

？漬>？漬Br（aq）/ Br-。

（Ⅰ）以濃硝酸生成二氧化氮為例，其能斯特方程表達式為？漬/ NO2= ？漬θ/ NO2+1g>？漬Br（aq）/ Br-，代入數據：0.803+1g>1.039，即當<0.18時，硝酸能將氫溴酸氧化。

（Ⅱ）若生成NO，以上述2mol/L的硝酸和12.68 mol/L的氫溴酸混合的情況為例，其能斯特方程表達式為？漬 NO= ？漬θ NO+1g>？漬Br （aq）/ Br-，代入數據：0.96+1g>1.039，即當<0.0064時，硝酸能將氫溴酸氧化。

三、利用數字傳感器的實驗測定

1. 實驗原理

溴離子若能被硝酸氧化，則生成紅棕色的溴水，利用色度傳感器可捕捉到透光率下降的信號，從而判斷反應能夠進行，即三種離子不能大量共存。

2. 實驗儀器和用品

色度傳感器（含比色皿）、計算機、10mL量筒、試管、膠頭滴管、洗瓶、68%（16.3mol/L）HNO3、分析純氫溴酸溶液（質量分數>40%）、蒸餾水。

3. 實驗步驟

（1）連接傳感器，選擇色度傳感器，由于所生成的溶液為紅棕色（500-700nm）的，故量程選擇藍色，校準色度傳感器（將蒸餾水的透光率設為100，黑色比色皿的透光率設為0），以下每個步驟均需校準，下面不再贅述。

（2）分別測定68%HNO3，分析純氫溴酸溶液的透光率（T%）隨時間的變化，每秒自動記錄一次，設定時間為100秒，以時間為橫坐標，T%為縱坐標，生成如下實驗圖（圖2）：由圖可知，68%HNO3的透光率為100。

（3）取1.5mL68% HNO3于小試管中，再加1.5mL分析純氫溴酸溶液，稍振蕩，迅速轉移到透明比色皿并放到傳感器中，設定測試時間300s，測定透光率，生成如下實驗圖（圖3）：endprint

由圖3可知，300s內透光率從86%下降到接近為0，這其中可能是硝酸和氫溴酸發生了氧化還原反應，也可能是由此得出如下結論：在濃度較大時，硝酸能將溴離子氧化。

（4）有很多人認為若硝酸濃度較小，則無法將溴離子氧化，為此筆者又進行了下述實驗：將68%硝酸用七倍體積的水稀釋（濃度約為2mol/L），再加1.5mL分析純氫溴酸溶液，稍振蕩，迅速轉移到透明比色皿并放到傳感器中，不設定時間，測定透光率，生成如下實驗圖（圖4）：

由圖4可知：0到800s內，混合溶液的透光率從110%到100%，并未明顯下降，但800s到1700s內透光率下降速度明顯，到1700s后透光率緩慢下降，直至到2000s時接近為0。實驗結束取出比色皿時，發現其中溶液的顏色已經由原先的無色變成了深紅棕色，且比色皿的上方有紅棕色氣體生成，筆者取兩只試管分別取上述2mol/L硝酸和分析純氫溴酸的混合溶液2mL，5min后在右邊的試管中加入1mLCCl4，振蕩后靜置，觀察到有橙紅色出現（如圖5），上述實驗現象證明了即使硝酸的濃度較小，也能和氫溴酸發生反應，生成溴單質。

筆者開始將實驗時間設定為300s，觀察到透光率由108.5%下降到103.3%，僅下降了5.2%，下降程度不很顯著，得出了硝酸濃度較低時，無法將溴離子氧化這一違背反應事實的結論。一個偶然的機會，筆者發現試管中殘余的稀硝酸和氫溴酸的混合液一段時間后顏色逐漸發生著變化。于是才有了上述實驗步驟（4）中關于時間設定的規定，得以順利完成這個實驗。

四、結論及啟示

理論計算和實驗現象均證明，硝酸（無論濃稀）均可以氧化氫溴酸，即H+、NO3-和Br-不能大量共存。雖然從標準電極電位看，濃或稀硝酸均不能氧化溴離子，但由于反應中NO2或NO的分壓通常遠小于1個大氣壓，故反應是可以發生的。

以濃硝酸（16.30mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO2為例，通過能斯特方程計算可知<0.18時，硝酸能將氫溴酸氧化;以稀硝酸（2mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO為例，當<0.0064時，硝酸能將氫溴酸氧化。我們知道，硝酸和溴離子的反應在敞開體系、或密閉體系剛開始時氮氧化物的分壓很小，故反應可以發生。針對稀硝酸反應時要求NO的分壓很小的問題，筆者認為可能的解釋是：NO能和空氣中的氧氣迅速生成NO2從而降低一氧化氮的分壓，使反應得以發生。

本文只是日常教學過程中遇到的眾多疑難問題中的一個，廣大中學同行如果能先對問題尋求相關理論支持，再輔以相應的實驗研究，問題往往能夠迎刃而解，這也是中學化學教師開展科研的一種有效的途徑，而數字傳感器在中學的推廣和普及恰恰為老師們提供了一個更好的手段，我們應加以恰當的運用。倘若我們將這個實驗作為中學的一個探究性實驗來開展的話，必然能極大地激發學生學習化學的興趣，對培養學生科學、嚴謹的實驗態度也很有幫助。

參考文獻

[1] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研組.無機化學（上冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2002：422-425

[2] http：//baike.china.alibaba.com/doc/history/view.html？eid=3381045endprint

由圖3可知，300s內透光率從86%下降到接近為0，這其中可能是硝酸和氫溴酸發生了氧化還原反應，也可能是由此得出如下結論：在濃度較大時，硝酸能將溴離子氧化。

（4）有很多人認為若硝酸濃度較小，則無法將溴離子氧化，為此筆者又進行了下述實驗：將68%硝酸用七倍體積的水稀釋（濃度約為2mol/L），再加1.5mL分析純氫溴酸溶液，稍振蕩，迅速轉移到透明比色皿并放到傳感器中，不設定時間，測定透光率，生成如下實驗圖（圖4）：

由圖4可知：0到800s內，混合溶液的透光率從110%到100%，并未明顯下降，但800s到1700s內透光率下降速度明顯，到1700s后透光率緩慢下降，直至到2000s時接近為0。實驗結束取出比色皿時，發現其中溶液的顏色已經由原先的無色變成了深紅棕色，且比色皿的上方有紅棕色氣體生成，筆者取兩只試管分別取上述2mol/L硝酸和分析純氫溴酸的混合溶液2mL，5min后在右邊的試管中加入1mLCCl4，振蕩后靜置，觀察到有橙紅色出現（如圖5），上述實驗現象證明了即使硝酸的濃度較小，也能和氫溴酸發生反應，生成溴單質。

筆者開始將實驗時間設定為300s，觀察到透光率由108.5%下降到103.3%，僅下降了5.2%，下降程度不很顯著，得出了硝酸濃度較低時，無法將溴離子氧化這一違背反應事實的結論。一個偶然的機會，筆者發現試管中殘余的稀硝酸和氫溴酸的混合液一段時間后顏色逐漸發生著變化。于是才有了上述實驗步驟（4）中關于時間設定的規定，得以順利完成這個實驗。

四、結論及啟示

理論計算和實驗現象均證明，硝酸（無論濃稀）均可以氧化氫溴酸，即H+、NO3-和Br-不能大量共存。雖然從標準電極電位看，濃或稀硝酸均不能氧化溴離子，但由于反應中NO2或NO的分壓通常遠小于1個大氣壓，故反應是可以發生的。

以濃硝酸（16.30mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO2為例，通過能斯特方程計算可知<0.18時，硝酸能將氫溴酸氧化;以稀硝酸（2mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO為例，當<0.0064時，硝酸能將氫溴酸氧化。我們知道，硝酸和溴離子的反應在敞開體系、或密閉體系剛開始時氮氧化物的分壓很小，故反應可以發生。針對稀硝酸反應時要求NO的分壓很小的問題，筆者認為可能的解釋是：NO能和空氣中的氧氣迅速生成NO2從而降低一氧化氮的分壓，使反應得以發生。

本文只是日常教學過程中遇到的眾多疑難問題中的一個，廣大中學同行如果能先對問題尋求相關理論支持，再輔以相應的實驗研究，問題往往能夠迎刃而解，這也是中學化學教師開展科研的一種有效的途徑，而數字傳感器在中學的推廣和普及恰恰為老師們提供了一個更好的手段，我們應加以恰當的運用。倘若我們將這個實驗作為中學的一個探究性實驗來開展的話，必然能極大地激發學生學習化學的興趣，對培養學生科學、嚴謹的實驗態度也很有幫助。

參考文獻

[1] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研組.無機化學（上冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2002：422-425

[2] http：//baike.china.alibaba.com/doc/history/view.html？eid=3381045endprint

由圖3可知，300s內透光率從86%下降到接近為0，這其中可能是硝酸和氫溴酸發生了氧化還原反應，也可能是由此得出如下結論：在濃度較大時，硝酸能將溴離子氧化。

（4）有很多人認為若硝酸濃度較小，則無法將溴離子氧化，為此筆者又進行了下述實驗：將68%硝酸用七倍體積的水稀釋（濃度約為2mol/L），再加1.5mL分析純氫溴酸溶液，稍振蕩，迅速轉移到透明比色皿并放到傳感器中，不設定時間，測定透光率，生成如下實驗圖（圖4）：

由圖4可知：0到800s內，混合溶液的透光率從110%到100%，并未明顯下降，但800s到1700s內透光率下降速度明顯，到1700s后透光率緩慢下降，直至到2000s時接近為0。實驗結束取出比色皿時，發現其中溶液的顏色已經由原先的無色變成了深紅棕色，且比色皿的上方有紅棕色氣體生成，筆者取兩只試管分別取上述2mol/L硝酸和分析純氫溴酸的混合溶液2mL，5min后在右邊的試管中加入1mLCCl4，振蕩后靜置，觀察到有橙紅色出現（如圖5），上述實驗現象證明了即使硝酸的濃度較小，也能和氫溴酸發生反應，生成溴單質。

筆者開始將實驗時間設定為300s，觀察到透光率由108.5%下降到103.3%，僅下降了5.2%，下降程度不很顯著，得出了硝酸濃度較低時，無法將溴離子氧化這一違背反應事實的結論。一個偶然的機會，筆者發現試管中殘余的稀硝酸和氫溴酸的混合液一段時間后顏色逐漸發生著變化。于是才有了上述實驗步驟（4）中關于時間設定的規定，得以順利完成這個實驗。

四、結論及啟示

理論計算和實驗現象均證明，硝酸（無論濃稀）均可以氧化氫溴酸，即H+、NO3-和Br-不能大量共存。雖然從標準電極電位看，濃或稀硝酸均不能氧化溴離子，但由于反應中NO2或NO的分壓通常遠小于1個大氣壓，故反應是可以發生的。

以濃硝酸（16.30mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO2為例，通過能斯特方程計算可知<0.18時，硝酸能將氫溴酸氧化;以稀硝酸（2mol/LHNO3和12.68 mol/LHBr）生成NO為例，當<0.0064時，硝酸能將氫溴酸氧化。我們知道，硝酸和溴離子的反應在敞開體系、或密閉體系剛開始時氮氧化物的分壓很小，故反應可以發生。針對稀硝酸反應時要求NO的分壓很小的問題，筆者認為可能的解釋是：NO能和空氣中的氧氣迅速生成NO2從而降低一氧化氮的分壓，使反應得以發生。

本文只是日常教學過程中遇到的眾多疑難問題中的一個，廣大中學同行如果能先對問題尋求相關理論支持，再輔以相應的實驗研究，問題往往能夠迎刃而解，這也是中學化學教師開展科研的一種有效的途徑，而數字傳感器在中學的推廣和普及恰恰為老師們提供了一個更好的手段，我們應加以恰當的運用。倘若我們將這個實驗作為中學的一個探究性實驗來開展的話，必然能極大地激發學生學習化學的興趣，對培養學生科學、嚴謹的實驗態度也很有幫助。

參考文獻

[1] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研組.無機化學（上冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2002：422-425

[2] http：//baike.china.alibaba.com/doc/history/view.html？eid=3381045endprint