SO2通入Ba(NO3)2溶液中反應原理的實驗研究

庾丹+葉芬芬+馬宏佳

摘要：SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液中會產生沉淀，其原因是氧氣和硝酸根的氧化作用，人們一般認為反應中硝酸根氧化亞硫酸根的能力更強，是產生沉淀的主導因素。本文通過對比實驗，利用pH傳感器，得到不同反應條件下溶液的pH變化曲線，分析曲線得知在該反應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。

關鍵詞：pH傳感器；SO2；Ba（NO3）2溶液；BaCl2溶液

文章編號：1005–6629（2015）4–0069–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

SO2是典型的無機化合物之一，在習題或者高考題中也常出現(xiàn)“向Ba（NO3）2溶液中通入SO2氣體，預測實驗現(xiàn)象”等類似的題目。基本的共識是：SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液中會產生BaSO4沉淀，因為溶液中氧氣和硝酸根都可以將亞硫酸根氧化為硫酸根，考慮到硝酸的強氧化性，有人認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？

2 實驗設計

為了探究SO2氣體通入Ba（NO3）2溶液的反應中氧氣與硝酸根的氧化作用，我們設計了對比實驗。用數(shù)字化實驗系統(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溶液時體系的pH變化曲線，再通過對上述曲線的對比分析得出結論。

2.1 實驗用品

實驗藥品：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

實驗儀器：pH傳感器（Vernier公司產品）、帶活塞的注射器、玻璃導氣管、玻璃尖嘴管、橡皮導管、酒精燈、鐵架臺、50mL小燒杯若干、錐形瓶若干

2.2 實驗裝置

2.4 注意事項

以上實驗裝置是經過多次試驗不斷改進得到的，針對以上實驗，有以下三點需要特別注意：

2.4.1 隔絕氧氣

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

2.4.2 通入SO2的速率

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

首先減小濃硫酸濃度，將濃硫酸與水以體積比1：5進行稀釋；然后將制取二氧化硫氣體的亞硫酸鈉固體進行加熱溶解、冷卻結晶，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)生板結而影響氣體產生的速率；最后加一緩沖瓶以達到雙重保險的效果，這樣就能使通入溶液中的SO2氣體的速率比較穩(wěn)定，大約每秒一個氣泡。二氧化硫氣泡的產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，本實驗將pH傳感器放入液封的待測溶液時由于穿過油層，儀器表面會沾有食用油而使讀數(shù)波動較大，需待讀數(shù)穩(wěn)定以后方可開始實驗測定。

3 實驗現(xiàn)象與pH圖分析

3.1 實驗現(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兩個燒杯中均出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。

初步結論：

（1）在氯化鋇溶液中，有氧氣才可氧化亞硫酸根，產生硫酸鋇沉淀。

（2）在硝酸鋇溶液中，有無氧氣參加都能產生硫酸鋇沉淀，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，無氧參加的反應中，pH曲線呈緩慢下降趨勢，說明沒有發(fā)生氧化反應，僅有SO2溶解于氯化鋇溶液中的pH變化。當有氧氣參與反應時，pH曲線出現(xiàn)驟降，表明溶液中發(fā)生反應生成了H+，故有硫酸鋇沉淀生成。氧氣是致使氯化鋇產生沉淀的因素。

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，導致硫酸鋇沉淀的生成。在有氧參加的反應中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，溶液pH下降的趨勢和程度都非常接近，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點，這一點點區(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，也會影響溶液本身的pH。

4 理論分析

但熱力學數(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，并不能說明哪個氧化反應速率更快，動力學問題的解決往往要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)。本實驗所測得的pH隨時間變化的數(shù)據(jù)說明了在SO2與硝酸鋇溶液的反應中，是氧氣起了主要的氧化作用，硝酸根起了次要的氧化作用。這一結論與上述條件下氧氣氧化性強于硝酸根正好是一致的。

5 研究結論

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：

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

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