二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)的再探究

朱成東 馬超

摘要：通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，包裹過氧化鈉的脫脂棉在二氧化硫氣體中燃燒的實(shí)驗(yàn)來證明SO2與Na2O2反應(yīng)有O2生成，再運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，測(cè)量反應(yīng)過程中O2含量的變化，推理出SO2與Na2O2反應(yīng)中先反應(yīng)生成亞硫酸鈉與氧氣，氧氣再氧化亞硫酸鈉的事實(shí)，對(duì)于多反應(yīng)并存的復(fù)雜體系，要運(yùn)用熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)共同解釋。

關(guān)鍵詞：過氧化鈉;二氧化硫;數(shù)字化實(shí)驗(yàn);傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);復(fù)雜體系

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06-0094-02

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.021

一、問題的提出

過氧化鈉具有強(qiáng)氧化性，二氧化硫具有強(qiáng)還原性，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，多數(shù)師生認(rèn)為二氧化硫與過氧化鈉的反應(yīng)不能類比二氧化碳與過氧化鈉的反應(yīng)，而應(yīng)該是過氧化鈉直接氧化二氧化硫得到Na2SO4，不是Na2SO3和O2。通過知網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵詞“過氧化鈉”進(jìn)行檢索，并對(duì)過氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)的已有文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物有三種可能：Na2SO4、Na2SO3、Na2SO4和Na2SO3的混合物，并且發(fā)現(xiàn)認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2S04的，主要是通過檢驗(yàn)產(chǎn)物中含有硫酸根來驗(yàn)證[1，2]，認(rèn)為反應(yīng)的產(chǎn)物為Na2SO，，檢驗(yàn)產(chǎn)物中有氧氣來驗(yàn)證[3，4]，認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2SO4和Na2SO3混合物的，既檢驗(yàn)有氧氣生成，又檢驗(yàn)固體中含有硫酸根來驗(yàn)證[5，6]，基本沒有從反應(yīng)的過程進(jìn)行探究，下面筆者再次運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)氧氣的生成，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究過氧化鈉與二氧化硫的反應(yīng)過程。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件（Logger Pro 3）、集氣瓶、三頸燒瓶、鐵架臺(tái)

實(shí)驗(yàn)藥品：過氧化鈉（AR）、硫酸（AR）、無水亞硫酸鈉（AR）、脫脂棉

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1）及實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用無水亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)制取二氧化硫，并收集一集氣瓶二氧化硫氣體。

（2）用藥匙取適量過氧化鈉，用脫脂棉包裹。

（3）用鑷子將包裹有過氧化鈉的脫脂棉放人盛有二氧化硫氣體的集氣瓶中。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置（見圖2）及實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器依次相連。

（2）用無水亞硫酸鈉與濃硫酸反應(yīng)制取并用三頸燒瓶收集二氧化硫氣體。

（3）將氧氣傳感器塞人三頸燒瓶中間接口（如圖2），打開Logger Pr0 3（軟件），點(diǎn)擊“采集”按鈕，用藥匙取少量過氧化鈉從右端加入三頸燒瓶中，迅速塞緊瓶塞。

三、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，脫脂棉劇烈燃燒，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，ab段氧氣的含量迅速升高，均可說明二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)生成了氧氣，即產(chǎn)物中有亞硫酸鈉生成，發(fā)生的反應(yīng)：

2Na2O2+2SO2==2Na2SO3+O2

（1）

對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的曲線圖進(jìn)行分析，bc段氧氣的含量慢慢降低，說明氧氣總量被消耗，即生成氧氣的量小于消耗氧氣的量或者僅消耗氧氣，證實(shí)了亞硫酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕c的過程，同時(shí)也說明曲線ab段氧氣含量增加，是因?yàn)樯裳鯕獾牧看笥谙牡牧浚哉麄€(gè)過程發(fā)生的反應(yīng)也有：

2Na2SO3+O2= 2Na2SO4

（2）

將反應(yīng)（1）+（2）得總反應(yīng)：

Na2O2+SO2==Na2SO4

（3）

從總反應(yīng)方程（3）式來看，沒有氧氣生成，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)束來看反應(yīng)體系中生成的氧氣沒有被完全消耗，c點(diǎn)高于a點(diǎn)，說明固體混合物中仍含有少量亞硫酸鈉，即補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取少量反應(yīng)后的固體混合物，滴加酸性高錳酸鉀溶液，看到溶液紫色褪去。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及解釋

通過以上實(shí)驗(yàn)可以得出，二氧化硫雖具有強(qiáng)還原性，過氧化鈉具有強(qiáng)氧化性，但其反應(yīng)過程中仍有大量亞硫酸鈉和氧氣生成，并伴隨著反應(yīng)放出大量的熱，生成的氧氣會(huì)繼續(xù)把亞硫酸鈉氧化成硫酸鈉，所以對(duì)僅從反應(yīng)的產(chǎn)物檢驗(yàn)含有硫酸根來說明二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)生成硫酸鈉不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但以上實(shí)驗(yàn)仍有不足，仍沒有排除二氧化硫與過氧化鈉直接反應(yīng)生成硫酸鈉的可能性。通過查閱資料[7]計(jì)算可知，過氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)生成1 mol Na2SO4的△rGe =-522.5 KJ.mol-l，生成1 mol Na2SO3與0.5 mol O2的△.Ce =-264.8 KJ.mol-l，從熱力學(xué)來看，生成硫酸鈉的傾向性更大，反以對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論可以嘗試從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行解釋，反應(yīng)（1）、（2）的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于Na2O2與SO2直接生成硫酸鈉的速率，所以過氧化鈉與二氧化硫反應(yīng)迅速生成亞硫酸鈉與氧氣，亞硫酸鈉再被氧氣氧化成硫酸鈉。

五、小結(jié)

二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究主要是對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)用氧氣傳感器記錄氧氣含量的變化，從而為推理“反應(yīng)的過程”提供有力的證據(jù)。也說明對(duì)于有多個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的復(fù)雜體系，我們不僅要從熱力學(xué)的角度思考，更多的時(shí)候要結(jié)合動(dòng)力學(xué)的角度思考，如本文中的二氧化硫與過氧化鈉的反應(yīng)，再比如氯化鐵溶液與亞硫酸鈉溶液反應(yīng)的現(xiàn)象不是混合后會(huì)立即觀察到溶液變?yōu)闇\綠色，而是溶液先變?yōu)榧t褐色，一段時(shí)間后溶液顏色變淺，再比如新制氯水使石蕊試紙先變紅后褪色等等，都是一個(gè)體系中發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，均是從動(dòng)力學(xué)的角度進(jìn)行解釋。

本實(shí)驗(yàn)雖然運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究了二氧化硫與過氧化鈉反應(yīng)中氧氣的生成及消耗，證明了該反應(yīng)先生成亞硫酸鈉，亞硫酸鈉再被氧氣氧化的過程，但仍然存在著局限和不足，如仍沒有得出二氧化硫直接與過氧化鈉反應(yīng)得到硫酸鈉的證據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及表征手段的不斷完善，希望將來可以設(shè)計(jì)出較完美的方案解決二氧化硫是否會(huì)直接與過氧化鈉反應(yīng)得到硫酸鈉的問題。

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