借助傳感器探究強(qiáng)酸強(qiáng)堿對(duì)過(guò)氧化氫氧化性的影響

吳曉紅 徐建菊

摘要： 過(guò)氧化氫既有氧化性又有還原性，且氧化還原性的強(qiáng)弱與體系酸堿性有關(guān)。借助氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器和pH傳感器探究強(qiáng)酸、強(qiáng)堿對(duì)過(guò)氧化氫氧化性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加pH=14.00的氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)體系pH約9.83時(shí)，過(guò)氧化氫會(huì)顯示較弱的氧化性；加pH=1.00的硫酸溶液，調(diào)節(jié)體系pH約1.26時(shí)，過(guò)氧化氫會(huì)顯示較強(qiáng)的氧化性。

關(guān)鍵詞： 過(guò)氧化氫溶液； 氧化性； ORP傳感器； pH傳感器； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0082-04 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

過(guò)氧化氫又名雙氧水，既有氧化性又有還原性，在高中化學(xué)學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)時(shí)，過(guò)氧化氫扮演著雙重身份，既是氧化劑又是還原劑[1]。當(dāng)遇到較強(qiáng)的氧化劑時(shí)，過(guò)氧化氫體現(xiàn)還原性，當(dāng)遇到較強(qiáng)的還原劑時(shí)，過(guò)氧化氫體現(xiàn)氧化性。通過(guò)改變過(guò)氧化氫溶液的pH，會(huì)改變其氧化性強(qiáng)弱，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況，一般通過(guò)加入強(qiáng)酸溶液如稀硫酸等來(lái)增強(qiáng)其氧化性，或通過(guò)加入強(qiáng)堿如氫氧化鈉溶液等來(lái)減弱其氧化性[2]。但是對(duì)于“滴加強(qiáng)酸溶液和強(qiáng)堿溶液來(lái)調(diào)節(jié)體系的pH在一定范圍內(nèi)時(shí)，過(guò)氧化氫氧化性變化情況”并無(wú)相關(guān)說(shuō)明，基于此，借助氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器和pH傳感器設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，尋找過(guò)氧化氫溶液氧化性與體系pH的變化關(guān)系，為相關(guān)研究提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

過(guò)氧化氫是一種極弱的酸（H2O2H++HO -2），既是氧化劑又是還原劑。258K時(shí)，酸性條件下半反應(yīng)為： H2O2+2H++2e-2H2O，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為+1.776V。堿性條件下半反應(yīng)為： HO -2+H2O+2e-3OH-，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為-0.245V[3]。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的大小表示氧化型物質(zhì)或還原型物質(zhì)得電子或失電子能力強(qiáng)弱，值越大說(shuō)明得電子能力越強(qiáng)，氧化性越強(qiáng)，反之，得電子能力越弱，氧化性越弱[4]。

威尼爾ORP傳感器能夠測(cè)量在-450至+1100毫伏范圍內(nèi)的氧化還原電勢(shì)。這范圍內(nèi)數(shù)值越趨向正數(shù)區(qū)域，說(shuō)明對(duì)應(yīng)物質(zhì)氧化性越強(qiáng)，反之接近范圍內(nèi)負(fù)數(shù)區(qū)域的讀數(shù)表明還原性越強(qiáng)，氧化性減弱，借助ORP傳感器測(cè)量數(shù)值可判斷待測(cè)物質(zhì)氧化性、還原性的強(qiáng)弱及變化情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

藥品： 過(guò)氧化氫溶液（30%）、蒸餾水、氫氧化鈉固體、濃硫酸

儀器： 磁力攪拌器附帶小磁子、夾子、燒杯（250mL）、量筒（50mL）、玻璃棒、氧化還原電勢(shì)（ORP）傳感器、pH傳感器、滴定管（與滴數(shù)傳感器配套）、數(shù)據(jù)采集器、USB線、計(jì)算機(jī)及配套軟件、origin7.5軟件

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 準(zhǔn)備試劑

在燒杯中加適量的蒸餾水，取適量的氫氧化鈉固體于燒杯中，攪拌冷卻后，用pH傳感器測(cè)試，調(diào)至pH=14.00的氫氧化鈉溶液100mL待用。同理，用pH傳感器調(diào)至pH=1.00的硫酸溶液100mL待用。

2.3.2 組裝儀器

如圖1所示組裝好儀器，提前調(diào)好滴定管的滴速（約2d/s），調(diào)整好ORP傳感器和pH傳感器的位置，防止開(kāi)動(dòng)磁力攪拌器磁子與之碰撞，同時(shí)，保證兩傳感器下端探頭浸沒(méi)溶液。檢查USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器是否連接好、傳感器是否與數(shù)據(jù)采集器連接無(wú)誤。

2.3.3 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)

用量筒量取20mL 30%的過(guò)氧化氫溶液于燒杯中，將蒸餾水倒入滴定管中（注： 滴定管上面的塞子關(guān)閉，下端塞子提前調(diào)整好滴速）。打開(kāi)計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)置菜單欄中“實(shí)驗(yàn)”中“數(shù)據(jù)采集”為“持續(xù)采集數(shù)據(jù)”，開(kāi)動(dòng)磁力攪拌器，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定后，打開(kāi)滴定管上端的塞子放液。待數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)后停止采集，保存數(shù)據(jù)。將滴定管洗凈，換成pH=1.00的硫酸溶液，燒杯洗凈重取20mL 30%的過(guò)氧化氫溶液，重復(fù)上述步驟，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同理，再將滴定管中溶液換成pH=14.00的氫氧化鈉溶液，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)圖像

（1） 往30%過(guò)氧化氫溶液中滴加蒸餾水，體系氧化還原電勢(shì)ORP隨pH的變化情況。

過(guò)氧化氫屬于一種弱酸，隨著蒸餾水的加入，過(guò)氧化氫溶液的pH增大（不超過(guò)7.00），等同于稀釋。圖2左圖中，上方曲線是體系pH隨時(shí)間的變化圖像（pH-t圖），下方曲線是體系ORP隨時(shí)間變化圖像（ORP-t圖）；將左圖中相同時(shí)間內(nèi)體系pH、ORP數(shù)據(jù)在origin7.5軟件中作圖，以pH為橫軸，ORP為縱軸，得到右圖。

由圖2可知，體系的氧化還原電勢(shì)ORP隨著pH的增大而下降，ORP降低，說(shuō)明過(guò)氧化氫的氧化性在降低。由此可得，稀釋會(huì)降低過(guò)氧化氫溶液的氧化性。

（2） 往30%過(guò)氧化氫溶液中滴加硫酸溶液，體系氧化還原電勢(shì)ORP隨pH的變化情況。

隨著硫酸溶液的加入，體系pH在降低。圖3左圖中，上方曲線是體系pH隨時(shí)間的變化圖像（pH-t圖），下方曲線是體系ORP隨時(shí)間變化圖像（ORP-t圖）；將左圖中相同時(shí)間內(nèi)體系pH、ORP數(shù)據(jù)在origin7.5軟件中作圖，以pH為橫軸，ORP為縱軸，得到右圖。（注： 為方便看圖，已將橫軸數(shù)據(jù)調(diào)整為從大到小排序）

由圖3可知，體系的氧化還原電勢(shì)ORP隨著pH的降低而增大，到一定數(shù)值后持續(xù)滴加硫酸溶液，體系ORP幾乎保持不變。說(shuō)明過(guò)氧化氫溶液的pH減小，其氧化性增強(qiáng)，到一定數(shù)值后，氧化能力基本不變。

（3） 往30%過(guò)氧化氫溶液中滴加氫氧化鈉溶液，體系氧化還原電勢(shì)ORP隨pH的變化情況。

隨著氫氧化鈉溶液的加入，體系pH在增大。圖4左圖中，上方曲線是體系pH隨時(shí)間的變化圖

2.5 數(shù)據(jù)處理

由表1數(shù)據(jù)可知，在20mL 30%的過(guò)氧化氫溶液中滴加硫酸會(huì)增大體系的ORP，大約滴加pH=1.00的硫酸3.8mL，此時(shí)體系pH約為1.26，氧化還原電勢(shì)ORP增到較大值，大約為541.5mV，過(guò)氧化氫溶液與滴加的硫酸溶液體積比值約為5.3。滴加氫氧化鈉溶液會(huì)減小體系的ORP，大約滴加pH=14.00的氫氧化鈉6.5mL，此時(shí)體系pH約為9.83，氧化還原電勢(shì)ORP降到較小值，大約為56.1mV，過(guò)氧化氫溶液與滴加的氫氧化鈉溶液體積比值約為3.1。同時(shí)由表1數(shù)據(jù)可以看出，滴定結(jié)束時(shí)體系的pH增大，對(duì)應(yīng)的ORP減小，氧化性減弱。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1） 滴加硫酸溶液、氫氧化鈉溶液、水對(duì)過(guò)氧化氫氧化性有影響，且影響程度不一，排序可為： 滴加氫氧化鈉溶液影響>滴加硫酸溶液影響>滴加蒸餾水影響。

（2） 稀釋和滴加氫氧化鈉溶液，都會(huì)降低過(guò)氧化氫溶液的氧化性，且滴加氫氧化鈉溶液導(dǎo)致過(guò)氧化氫氧化性降低幅度更大（由表1數(shù)據(jù)可知）。滴加硫酸溶液，會(huì)增加過(guò)氧化氫溶液的氧化性。

（3） 研究者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫溶液的pH來(lái)改變其氧化性強(qiáng)弱。當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH

約為1.26時(shí)，過(guò)氧化氫氧化性較強(qiáng)，可當(dāng)調(diào)節(jié)體系pH約為9.83時(shí)，過(guò)氧化氫顯示較

弱的氧化性。本實(shí)驗(yàn)中，V（H2O2）∶V（H2SO4）≈5.3，V（H2O2）∶V（NaOH）≈3.1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，研究者可控制V（H2O2）∶V（H2SO4或NaOH）的比值在5.3或3.1附近時(shí)，過(guò)氧化氫均可起到較好的不同的氧化效果。

（4） 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，稀釋會(huì)降低過(guò)氧化氫溶液的氧化性，本實(shí)驗(yàn)中選擇氫氧化鈉溶液來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫溶液的堿性環(huán)境時(shí)，為盡可能減小稀釋造成的影響，選擇pH=14.00的氫氧化鈉溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較為合適（注： 直接加固體氫氧化鈉，溶解放熱對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)造成影響）。濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，且溶解放熱，故實(shí)驗(yàn)中選擇稀硫酸溶液調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫溶液的酸性環(huán)境時(shí)，為盡可能減小稀釋造成的影響，選擇pH=1.00的硫酸溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳星， 呂琳， 楊侖， 吳頻慶. 過(guò)氧化氫使酚酞褪色機(jī)理的探討[J]. 化學(xué)教育， 2014， （11）： 79～81.

[2]宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1（第3版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2014： 35～39.

[3][4]武漢大學(xué)， 吉林大學(xué)等校編. 高等學(xué)校教材無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 503～507，428～429.