过氧化钠与干燥的二氧化碳不能反应的实验探讨

吴正帅+丁元东

1 问题的提出

普通高中课程标准实验教科书化学（必修1）教材介绍过氧化钠与二氧化碳的反应时，这样叙述：“过氧化钠与二氧化碳起反应，生成碳酸钠和氧气：2Na2O2+2CO2=2NaCO3+O2。因此，它用在呼吸面具上和潜水艇里作为氧气的来源。”近年来，与此反应有关的习题、实验在各种书刊、专题中屡见不鲜，大都涉及到了过氧化钠与干燥的二氧化碳能否反应？这些习题及实验的出现给读者（学生）是否会带来一些负面效应呢？基于此，笔者进行了实验验证和理论分析。

2 实验验证

2.1 实验用品

多用V形试管、硬质玻璃管、U型管、125 mL气体洗瓶、125 mL集气瓶、水槽、铁架台、铁夹（万能夹）、胶塞（带玻璃导管）、乳胶管。

盐酸（1∶1）、小块大理石、过氧化钠、浓硫酸（98%）、饱和碳酸氢钠溶液、氢氧化钠溶液。

2.2 实验装置图

实验装置如图1所示。

2.3 实验步骤

（1）检查整套装置的气密性。

（2）于V形试管中分别装入约4 g大理石及12 mL1∶1的盐酸；于4个气体洗瓶中分别加入约115 mL饱和碳酸氢钠溶液（B）、浓硫酸（C、F）、氢氧化钠溶液（G）；于U型管（D）中加入无水硫酸铜；于硬质玻璃管（E）中加入约2 g过氧化钠粉末，使其平铺硬质玻璃管中，水槽中装入适量水，备好集气瓶。

（3）按装置图连接好各仪器。

（4）倾斜V形试管，盐酸与大理石接触，即产生大量气泡。依次观察到图中B、C、F、G各气体洗瓶中均有气泡翻动；D中颜色无变化，H中基本没有现象；E中过氧化钠未有任何变化。

（5）从装置中删去C、D、F干燥二氧化碳的气体洗瓶，重新将装置连接好，重复前面操作。除E外，各装置中均有气泡产生。观察E中的过氧化钠会发现管壁渐渐模糊（即有水进入），浅黄色过氧化钠粉末先变深后又变白（水多时可明显看到气泡）。检验集气瓶H中收集到的气体，是氧气。

2.4 实验原理

（1）用A来产生二氧化碳，B可除去混入二氧化碳中的氯化氢气体；C干燥二氧化碳；D检验二氧化碳中是否存在水蒸气：F防止空气中水蒸气进入；G可吸收二氧化碳；H收集氧气。

（2）实验步骤4中的现象说明过氧化钠没有与干燥的二氧化碳反应。

（3）实验步骤5说明过氧化钠与不经过干燥的二氧化碳发生了反应。

2.5 实验结论

实验证实过氧化钠与二氧化碳反应必须有水参加，否则反应难以发生。

2.6 几点说明

（1）要控制好二氧化碳气流的大小，以保证其绝对干燥。

（2）所用的过氧化钠试剂要纯。

（3）若实验失败，说明二氧化碳干燥不够，可再增加一个干燥装置，串接于装置B的后面。

3 理论分析

298 K，101 kPa时相关物质的热力学状态函数，见表1。

若取1 mol过氧化钠，根据表1中的有关数据、ΔGo=ΔHo—TΔSo，求得反应的有关数据为：

ΔHo=-226.32 kJ·mol-1<0；

ΔSo=-71.07 kJ·mol-1·K-1<0；

ΔGo=-202.45 kJ·mol-1<0。

由计算数据可以说明：反应低温自发进行，又由于ΔGo为负值，所以在低温条件下，这是一个可以自发进行的放热反应。

那么为何会出现过氧化钠跟干燥二氧化碳不反应的实验现象呢？其实，热力学只能告诉我们，在某种条件下变化是否能够发生，进行到什么程度，但不能告诉我们变化所需的时间、变化发生的根本原因以及经历的历程。一个化学反应既受热力学因素的影响也受动力学因素影响，同位素原子示踪实验证明Na2O2与C18O2在有H182O存在的条件下反应机理为：

Na2O2+C18O2+H182O=Na2C18O3+2H2O+O2。

笔者认为，虽然从热力学方面分析，这个反应是可以进行的，但由于受动力学因素的影响，上述反应在干燥条件下反应速率很慢，几乎无实质性变化。所以会得出过氧化钠与干燥二氧化碳不反应的结论。尤为值得注意的是：即使一个反应的热力学计算是自发的反应，但在实际过程中会由于动力学因素而不会有反应发生。

4 结论

当过氧化钠与二氧化碳有水存在时，引发以下反应：

反应为：第一步，Na2O2与H2O反应生成H2O2。

Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2。

第二步：H2O2不稳定随即发生分解。

反应为：2H2O2=2H2O+O2↑。

第三步：CO2与第一步反应中生成的NaOH反应。

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O。

以上3个反应合并，便得出总反应方程式：

2Na2O2+4H2O+2CO2=2Na2CO3+4H2O+O2。

即：2Na2O2+2CO2=2NaCO3+O2。

从反应历程来看，三步反应均为快速反应，有水存在就加快了整个反应的速率；从合并的化学方程式看，在反应过程中，水既是反应物又是生成物，且反应前后总量不变，相当于起了正催化剂的作用。事实上在实际实验操作过程中，并不是加入一滴水就可以使反应持续进行到底的，一方面该反应是一个放热反应会由于放热而带走水分，另一方面实验过程中产物会因水而结成块状，进而覆盖在过氧化钠表面而使反应终止。另外，过氧化钠是强吸湿性物质，在实验过程中，实验者有时会忽略这种物质的自身性质，在药品存在湿存水、药品因暴露在空气中而吸潮等客观因素的干扰下做实验，误认为过氧化钠跟二氧化碳在无水条件下也起反应。

收稿日期：2016-09-13