運用數(shù)字化儀器探究次氯酸的光照分解

魯通

摘 ? 要：通過數(shù)字化儀器縮短次氯酸光照分解的實驗時間，用于課堂教學，使學生從數(shù)據(jù)變化中自己推導出次氯酸光照分解的化學方程式。

關(guān)鍵詞：次氯酸；光照分解；數(shù)字化儀器；實驗教學

次氯酸光照分解反應(yīng)是高中化學的重要知識，2003版的全日制普通高級中學教科書中曾給出如圖1所示的實驗裝置，但并沒有編排具體的實驗操作，原因是該實驗需要幾天時間才能出現(xiàn)較明顯的現(xiàn)象[ 1 ]。新課改后三大版本的教材均未設(shè)計相應(yīng)實驗，而是直接給出了相應(yīng)的化學方程式，人教版必修第一冊[ 2 ]在科學·技術(shù)·社會欄目中提到了用數(shù)字化儀器去探究次氯酸光照分解的產(chǎn)物，并給出了圖像，可以直接用于教學，但具體做實驗效果如何，有待檢驗。朱衛(wèi)華老師分別用pH傳感器和電導率傳感器測定氯水光照時數(shù)據(jù)的變化情況，取得了不錯的效果，但是實驗處于敞開體系，對空氣有一定的污染[ 3 ]。

數(shù)字化儀器能夠捕捉化學反應(yīng)中的微弱變化，將其以數(shù)據(jù)、圖像的形式直接呈現(xiàn)出來，非常直觀，可以彌補傳統(tǒng)實驗的盲區(qū)。筆者在前人實驗的基礎(chǔ)上進行改進，利用三頸燒瓶作為一個密閉反應(yīng)體系，用pH傳感器和氧氣傳感器來監(jiān)測次氯酸光照體系中pH與氧氣濃度的變化，以此來進行實驗教學。

1 ?實驗原理

氯氣在水中的溶解度不是很大：1升水可溶解2升氯氣達到飽和，溶解的一部分氯氣和水反應(yīng)生成次氯酸，并且該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，所以次氯酸的濃度很低。為了增大次氯酸的濃度以達到較好的實驗效果，可以將新制氯水事先在暗處放置3-5天左右。用pH傳感器和氧氣傳感器分別來監(jiān)測光照氯水中pH與氧氣濃度的變化，以數(shù)據(jù)、圖像的形式加以呈現(xiàn)。

2 ?實驗儀器及藥品

（1）儀器：pH傳感器、氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、三頸燒瓶、廣口瓶、磁力攪拌器、臺燈（功率：20W）。

（2）藥品：氯水（暗處放置3-5 d）。

3 ?實驗過程

（1）按照圖2所示組裝實驗裝置，將pH傳感器、氧氣傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接到數(shù)據(jù)采集器，然后再連接到計算機，打開Lab Studio軟件。

（2）在三頸燒瓶中倒入適量氯水并塞上橡皮塞，將其置于暗處30 min。將三頸燒瓶置于磁力攪拌器上，然后打開橡膠塞，插入帶橡膠塞的pH傳感器和氧氣傳感器，用膠帶將氧氣傳感器固定和密封。

（3）打開磁力攪拌器，待pH值、氧氣含量值不再變化時，打開臺燈照射三頸燒瓶（圖3），點擊按鈕進行數(shù)據(jù)采集。實驗結(jié)束后，停止數(shù)據(jù)采集并保存實驗數(shù)據(jù)與圖像。

4 ?實驗現(xiàn)象與分析

圖4表明在光照過程中，三頸燒瓶內(nèi)氧氣含量開始逐漸增大，那么是否就說明反應(yīng)產(chǎn)生了氧氣呢？有研究表明具有強氧化性的氣體，例如氯氣，也能使氧氣傳感器（朗威）的數(shù)值增大[ 4 ]。筆者用圖5裝置做了相應(yīng)實驗：將氧氣傳感器插入放有高錳酸鉀的三頸燒瓶中，用注射器注入濃鹽酸，發(fā)現(xiàn)氧氣含量并沒有上升，而是大幅度下降（圖6）。將氧氣傳感器取出后，氧氣含量又立馬上升，由此可見本實驗用到的氧氣傳感器（正方體科技）不會因為氯水中氯氣的揮發(fā)而使示數(shù)上升，相反的是會下降，因此氧氣含量的升高說明光照過程中確實產(chǎn)生了氧氣。

可以看到圖4中2000 s后氧氣濃度緩慢下降，這是為什么呢？筆者用圖5裝置將氧氣傳感器插入空的廣口瓶，測得氧氣含量變化如圖7，氧氣含量慢慢地下降，這是因為氧氣傳感器在測定氧氣含量時本身是消耗氧氣的。隨著反應(yīng)的進行，次氯酸濃度不斷減小，分解產(chǎn)生氧氣的速率逐漸減小，當消耗氧氣速率大于產(chǎn)生氧氣速率時，體系中氧氣含量開始下降。圖8表明在光照過程中，溶液的酸性逐漸增強，說明產(chǎn)生了比HClO酸性更強的酸，從元素守恒的角度可以推測是HCl。

從氧氣傳感器和pH傳感器的數(shù)值變化中，學生可以清晰地看到次氯酸光照分解的事實，很快能夠確定分解產(chǎn)物中有氧氣。pH值的變化稍微慢些，需要一段時間。在教學過程中可以先讓學生分析HClO光照分解除了O2，還有什么？讓學生從元素守恒、氧化還原規(guī)律上進行思考，學生就會想到氧元素化合價升高，則必有元素化合價降低，那么這里要么是H+ 得電子生成H2，要么是氯元素得電子生成Cl-。這時候可以看到溶液pH降低的現(xiàn)象，說明酸性變強，還有一個產(chǎn)物自然能推出是HCl。學生通過觀察到的現(xiàn)象結(jié)合邏輯分析，自己推導寫出化學方程式，不但加深了對該方程式的印象，更重要的是培養(yǎng)了化學學科的思維方式，是“宏觀辨識、微觀探析、證據(jù)推理、科學探究”等核心素養(yǎng)的落實。

5 ?實驗總結(jié)與反思

在本實驗中，通過數(shù)字化儀器放大了實驗現(xiàn)象，使得原本要幾天才能看到的實驗現(xiàn)象在10-15 min就可以看到，大大縮短了實驗時間，并且次氯酸分解過程處于密閉體系，對環(huán)境污染小，可以將其應(yīng)用于教學中。盡管如此，實驗所需時間還是偏長，且溶液中pH的變化幅度較小，最好采集15 min以上的數(shù)據(jù)以排除實驗誤差原因。因此，如何加速次氯酸的光照分解，是本實驗有待進一步研究的地方。

若是將此實驗應(yīng)用于課堂教學，可以讓學生如前面所述邊觀察邊分析，再觀察再分析；若是覺得時間太久，教師可以課下事先做好實驗，保存實驗文件，在課堂上進行回放，加快播放速度，很快就能呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像，清晰明了；除此之外，該實驗還可以作為學校的化學校本課程，讓學生自己動手操作探究次氯酸光照分解的產(chǎn)物，從實驗的時間和操作難易程度上來看，都是比較適合的。

參考文獻：

［1］ 人民教育出版社化學室.全日制普通高級中學教科書（必修）化學（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：66.

［2］ 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.全日制普通高中教科書（必修）化學（1）[M].北京：人民教育出版社，2019：45.

［3］ 朱衛(wèi)華.利用傳感技術(shù)探究次氯酸光照分解的實驗[J].化學教與學，2013，（11）：87-88.

［4］ 王保強，李增坤，劉云芳.氧氣傳感器的原理及其在不同環(huán)境中使用的注意事項[J].化學教育，2019，40（23）.