SO2通入Ba(NO3)2溶液中反應(yīng)原理的實(shí)驗(yàn)研究

庾丹+葉芬芬+馬宏佳

摘要：SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液中會(huì)產(chǎn)生沉淀，其原因是氧氣和硝酸根的氧化作用，人們一般認(rèn)為反應(yīng)中硝酸根氧化亞硫酸根的能力更強(qiáng)，是產(chǎn)生沉淀的主導(dǎo)因素。本文通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用pH傳感器，得到不同反應(yīng)條件下溶液的pH變化曲線，分析曲線得知在該反應(yīng)中氧氣和硝酸根都能夠氧化亞硫酸根，但是氧氣氧化能力更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：pH傳感器；SO2；Ba（NO3）2溶液；BaCl2溶液

文章編號(hào)：1005–6629（2015）4–0069–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

SO2是典型的無機(jī)化合物之一，在習(xí)題或者高考題中也常出現(xiàn)“向Ba（NO3）2溶液中通入SO2氣體，預(yù)測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”等類似的題目。基本的共識(shí)是：SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液中會(huì)產(chǎn)生BaSO4沉淀，因?yàn)槿芤褐醒鯕夂拖跛岣伎梢詫喠蛩岣趸癁榱蛩岣紤]到硝酸的強(qiáng)氧化性，有人認(rèn)為硝酸根的氧化作用是主要的。我們的問題是：上述情況下，氧氣和硝酸根是否都起了氧化劑作用？如果是，氧氣和硝酸根何者氧化亞硫酸根的能力更強(qiáng)？

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液的反應(yīng)中氧氣與硝酸根的氧化作用，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別測定SO2氣體在有氧和無氧情況下通入BaCl2溶液、Ba（NO3）2溶液時(shí)體系的pH變化曲線，再通過對(duì)上述曲線的對(duì)比分析得出結(jié)論。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)藥品：食用油、蒸餾水、0.1 mol/L的Ba（NO3）2溶液、0.1 mol/L的BaCl2溶液、Na2SO3固體、稀H2SO4溶液（濃硫酸與水體積比1：5）、飽和NaOH溶液

實(shí)驗(yàn)儀器：pH傳感器（Vernier公司產(chǎn)品）、帶活塞的注射器、玻璃導(dǎo)氣管、玻璃尖嘴管、橡皮導(dǎo)管、酒精燈、鐵架臺(tái)、50mL小燒杯若干、錐形瓶若干

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.4 注意事項(xiàng)

以上實(shí)驗(yàn)裝置是經(jīng)過多次試驗(yàn)不斷改進(jìn)得到的，針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)，有以下三點(diǎn)需要特別注意：

2.4.1 隔絕氧氣

為了使實(shí)驗(yàn)更加簡單，我們采取氣封與液封相結(jié)合的方式。決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素之一就是是否完全隔絕氧氣[1]。在實(shí)驗(yàn)中，但凡有少量的氧氣混入都會(huì)影響pH曲線的變化，所以在實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行多次查漏操作，確保裝置密封效果好之后再進(jìn)行后續(xù)工作。

2.4.2 通入SO2的速率

在以往的文獻(xiàn)中給出的制備SO2的方法是將濃硫酸與固體亞硫酸鈉反應(yīng)[2]，我們發(fā)現(xiàn)用這種方法不易控制SO2氣體的產(chǎn)生速率，而且比較浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)藥品，污染也比較嚴(yán)重，故嘗試了多種方法解決這個(gè)問題：

首先減小濃硫酸濃度，將濃硫酸與水以體積比1：5進(jìn)行稀釋；然后將制取二氧化硫氣體的亞硫酸鈉固體進(jìn)行加熱溶解、冷卻結(jié)晶，使之均勻地平鋪于錐形瓶底部，避免亞硫酸鈉在制氣過程中發(fā)生板結(jié)而影響氣體產(chǎn)生的速率；最后加一緩沖瓶以達(dá)到雙重保險(xiǎn)的效果，這樣就能使通入溶液中的SO2氣體的速率比較穩(wěn)定，大約每秒一個(gè)氣泡。二氧化硫氣泡的產(chǎn)生速率直接影響著曲線的平滑程度。

2.4.3 pH傳感器

pH傳感器是比較靈敏的數(shù)字化儀器，本實(shí)驗(yàn)將pH傳感器放入液封的待測溶液時(shí)由于穿過油層，儀器表面會(huì)沾有食用油而使讀數(shù)波動(dòng)較大，需待讀數(shù)穩(wěn)定以后方可開始實(shí)驗(yàn)測定。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與pH圖分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

A燒杯溶液依然澄清，無明顯現(xiàn)象；B燒杯中出現(xiàn)輕微渾濁；C、D兩個(gè)燒杯中均出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。

初步結(jié)論：

（1）在氯化鋇溶液中，有氧氣才可氧化亞硫酸根，產(chǎn)生硫酸鋇沉淀。

（2）在硝酸鋇溶液中，有無氧氣參加都能產(chǎn)生硫酸鋇沉淀，但氧氣和硝酸根何者起了主要的氧化作用還需要進(jìn)一步分析。

3.2 pH圖分析

比較圖2與圖3可知，無氧參加的反應(yīng)中，pH曲線呈緩慢下降趨勢(shì)，說明沒有發(fā)生氧化反應(yīng)，僅有SO2溶解于氯化鋇溶液中的pH變化。當(dāng)有氧氣參與反應(yīng)時(shí)，pH曲線出現(xiàn)驟降，表明溶液中發(fā)生反應(yīng)生成了H+，故有硫酸鋇沉淀生成。氧氣是致使氯化鋇產(chǎn)生沉淀的因素。

比較圖4與圖5可見，SO2通入硝酸鋇中，pH曲線都出現(xiàn)了驟降，說明氧氣和硝酸根都可以氧化亞硫酸，導(dǎo)致硫酸鋇沉淀的生成。在有氧參加的反應(yīng)中pH的變化比無氧參加的大，說明氧氣的影響是不可忽視的。

進(jìn)一步比較圖3與圖5發(fā)現(xiàn)，兩幅圖的大致形狀很像，也就是說，在有氧氣存在的BaCl2和Ba（NO3）2溶液中通入SO2時(shí)，溶液pH下降的趨勢(shì)和程度都非常接近，換句話說，是氧氣的氧化起了主要作用。

為了更好地觀察，將圖3和圖5合并在一起。如圖6所示。

兩條曲線基本上能夠重合，SO2氣體通入硝酸鋇溶液中pH變化比通入氯化鋇中的略大一點(diǎn)點(diǎn)，這一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別的原因正是硝酸根的影響，如果硝酸根不起作用，理論上兩條曲線將重合。

另外，需要說明的是，在圖2至圖5中，相同溶液有氧和無氧情況下溶液的起始pH不同（圖2無氧氯化鋇溶液起始pH=5.03；圖3有氧氯化鋇溶液起始pH=4.77；圖4無氧硝酸鋇溶液起始pH= 5.06；圖5有氧硝酸鋇溶液起始pH=5.29），一方面是由于pH傳感器本身的誤差所致，另一方面在加熱溶液去除氧氣的同時(shí)，也會(huì)影響溶液本身的pH。

4 理論分析

但熱力學(xué)數(shù)據(jù)只能告訴我們上述條件下氧氣和硝酸根何者的氧化性更強(qiáng)，并不能說明哪個(gè)氧化反應(yīng)速率更快，動(dòng)力學(xué)問題的解決往往要依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)所測得的pH隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)說明了在SO2與硝酸鋇溶液的反應(yīng)中，是氧氣起了主要的氧化作用，硝酸根起了次要的氧化作用。這一結(jié)論與上述條件下氧氣氧化性強(qiáng)于硝酸根正好是一致的。

5 研究結(jié)論

綜上所述，將SO2氣體通入硝酸鋇溶液中起主要氧化作用的是氧氣，起次要氧化作用的是硝酸根。溶液中氧氣氧化亞硫酸生成硫酸的作用不可小視。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]鄒正良，于永民. SO2氣體通入BaCI2溶液實(shí)驗(yàn)的探究[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（4）：52.

[3]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2008：421～424.