借助传感器探究强酸强碱对过氧化氢氧化性的影响

吴晓红 徐建菊

摘要： 过氧化氢既有氧化性又有还原性，且氧化还原性的强弱与体系酸碱性有关。借助氧化还原电势（ORP）传感器和pH传感器探究强酸、强碱对过氧化氢氧化性的影响。实验发现，加pH=14.00的氢氧化钠溶液，调节体系pH约9.83时，过氧化氢会显示较弱的氧化性；加pH=1.00的硫酸溶液，调节体系pH约1.26时，过氧化氢会显示较强的氧化性。

关键词： 过氧化氢溶液； 氧化性； ORP传感器； pH传感器； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）7-0082-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

过氧化氢又名双氧水，既有氧化性又有还原性，在高中化学学习氧化还原反应时，过氧化氢扮演着双重身份，既是氧化剂又是还原剂[1]。当遇到较强的氧化剂时，过氧化氢体现还原性，当遇到较强的还原剂时，过氧化氢体现氧化性。通过改变过氧化氢溶液的pH，会改变其氧化性强弱，根据实验实际情况，一般通过加入强酸溶液如稀硫酸等来增强其氧化性，或通过加入强碱如氢氧化钠溶液等来减弱其氧化性[2]。但是对于“滴加强酸溶液和强碱溶液来调节体系的pH在一定范围内时，过氧化氢氧化性变化情况”并无相关说明，基于此，借助氧化还原电势（ORP）传感器和pH传感器设计了实验，寻找过氧化氢溶液氧化性与体系pH的变化关系，为相关研究提供参考。

2 实验内容

2.1 实验原理

过氧化氢是一种极弱的酸（H2O2H++HO -2），既是氧化剂又是还原剂。258K时，酸性条件下半反应为： H2O2+2H++2e-2H2O，对应的标准电极电势为+1.776V。碱性条件下半反应为： HO -2+H2O+2e-3OH-，对应的标准电极电势为-0.245V[3]。标准电极电势的大小表示氧化型物质或还原型物质得电子或失电子能力强弱，值越大说明得电子能力越强，氧化性越强，反之，得电子能力越弱，氧化性越弱[4]。

威尼尔ORP传感器能够测量在-450至+1100毫伏范围内的氧化还原电势。这范围内数值越趋向正数区域，说明对应物质氧化性越强，反之接近范围内负数区域的读数表明还原性越强，氧化性减弱，借助ORP传感器测量数值可判断待测物质氧化性、还原性的强弱及变化情况。

2.2 实验药品与仪器

药品： 过氧化氢溶液（30%）、蒸馏水、氢氧化钠固体、浓硫酸

仪器： 磁力搅拌器附带小磁子、夹子、烧杯（250mL）、量筒（50mL）、玻璃棒、氧化还原电势（ORP）传感器、pH传感器、滴定管（与滴数传感器配套）、数据采集器、USB线、计算机及配套软件、origin7.5软件

2.3 实验步骤

2.3.1 准备试剂

在烧杯中加适量的蒸馏水，取适量的氢氧化钠固体于烧杯中，搅拌冷却后，用pH传感器测试，调至pH=14.00的氢氧化钠溶液100mL待用。同理，用pH传感器调至pH=1.00的硫酸溶液100mL待用。

2.3.2 组装仪器

如图1所示组装好仪器，提前调好滴定管的滴速（约2d/s），调整好ORP傳感器和pH传感器的位置，防止开动磁力搅拌器磁子与之碰撞，同时，保证两传感器下端探头浸没溶液。检查USB数据线与计算机和数据采集器是否连接好、传感器是否与数据采集器连接无误。

2.3.3 开始实验

用量筒量取20mL 30%的过氧化氢溶液于烧杯中，将蒸馏水倒入滴定管中（注： 滴定管上面的塞子关闭，下端塞子提前调整好滴速）。打开计算机软件，设置菜单栏中“实验”中“数据采集”为“持续采集数据”，开动磁力搅拌器，开始采集数据，待数据相对稳定后，打开滴定管上端的塞子放液。待数据变化平稳后停止采集，保存数据。将滴定管洗净，换成pH=1.00的硫酸溶液，烧杯洗净重取20mL 30%的过氧化氢溶液，重复上述步骤，保存实验数据。同理，再将滴定管中溶液换成pH=14.00的氢氧化钠溶液，重复实验，保存实验数据。

2.4 实验图像

（1） 往30%过氧化氢溶液中滴加蒸馏水，体系氧化还原电势ORP随pH的变化情况。

过氧化氢属于一种弱酸，随着蒸馏水的加入，过氧化氢溶液的pH增大（不超过7.00），等同于稀释。图2左图中，上方曲线是体系pH随时间的变化图像（pH-t图），下方曲线是体系ORP随时间变化图像（ORP-t图）；将左图中相同时间内体系pH、ORP数据在origin7.5软件中作图，以pH为横轴，ORP为纵轴，得到右图。

由图2可知，体系的氧化还原电势ORP随着pH的增大而下降，ORP降低，说明过氧化氢的氧化性在降低。由此可得，稀释会降低过氧化氢溶液的氧化性。

（2） 往30%过氧化氢溶液中滴加硫酸溶液，体系氧化还原电势ORP随pH的变化情况。

随着硫酸溶液的加入，体系pH在降低。图3左图中，上方曲线是体系pH随时间的变化图像（pH-t图），下方曲线是体系ORP随时间变化图像（ORP-t图）；将左图中相同时间内体系pH、ORP数据在origin7.5软件中作图，以pH为横轴，ORP为纵轴，得到右图。（注： 为方便看图，已将横轴数据调整为从大到小排序）

由图3可知，体系的氧化还原电势ORP随着pH的降低而增大，到一定数值后持续滴加硫酸溶液，体系ORP几乎保持不变。说明过氧化氢溶液的pH减小，其氧化性增强，到一定数值后，氧化能力基本不变。

（3） 往30%过氧化氢溶液中滴加氢氧化钠溶液，体系氧化还原电势ORP随pH的变化情况。

随着氢氧化钠溶液的加入，体系pH在增大。图4左图中，上方曲线是体系pH随时间的变化图

2.5 数据处理

由表1数据可知，在20mL 30%的过氧化氢溶液中滴加硫酸会增大体系的ORP，大约滴加pH=1.00的硫酸3.8mL，此时体系pH约为1.26，氧化还原电势ORP增到较大值，大约为541.5mV，过氧化氢溶液与滴加的硫酸溶液体积比值约为5.3。滴加氢氧化钠溶液会减小体系的ORP，大约滴加pH=14.00的氢氧化钠6.5mL，此时体系pH约为9.83，氧化还原电势ORP降到较小值，大约为56.1mV，过氧化氢溶液与滴加的氢氧化钠溶液体积比值约为3.1。同时由表1数据可以看出，滴定结束时体系的pH增大，对应的ORP减小，氧化性减弱。

2.6 实验结论

（1） 滴加硫酸溶液、氢氧化钠溶液、水对过氧化氢氧化性有影响，且影响程度不一，排序可为： 滴加氢氧化钠溶液影响>滴加硫酸溶液影响>滴加蒸馏水影响。

（2） 稀释和滴加氢氧化钠溶液，都会降低过氧化氢溶液的氧化性，且滴加氢氧化钠溶液导致过氧化氢氧化性降低幅度更大（由表1数据可知）。滴加硫酸溶液，会增加过氧化氢溶液的氧化性。

（3） 研究者可根据实验情况，调节过氧化氢溶液的pH来改变其氧化性强弱。当调节体系pH

约为1.26时，过氧化氢氧化性较强，可当调节体系pH约为9.83时，过氧化氢显示较

弱的氧化性。本实验中，V（H2O2）∶V（H2SO4）≈5.3，V（H2O2）∶V（NaOH）≈3.1，根据实验情况，研究者可控制V（H2O2）∶V（H2SO4或NaOH）的比值在5.3或3.1附近时，过氧化氢均可起到较好的不同的氧化效果。

（4） 通过实验可知，稀释会降低过氧化氢溶液的氧化性，本实验中选择氢氧化钠溶液来调节过氧化氢溶液的碱性环境时，为尽可能减小稀释造成的影响，选择pH=14.00的氢氧化钠溶液进行实验较为合适（注： 直接加固体氢氧化钠，溶解放热对实验会造成影响）。浓硫酸具有强氧化性，且溶解放热，故实验中选择稀硫酸溶液调节过氧化氢溶液的酸性环境时，为尽可能减小稀释造成的影响，选择pH=1.00的硫酸溶液进行实验。

参考文献：

[1]吴星， 吕琳， 杨仑， 吴频庆. 过氧化氢使酚酞褪色机理的探讨[J]. 化学教育， 2014， （11）： 79～81.

[2]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1（第3版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2014： 35～39.

[3][4]武汉大学， 吉林大学等校编. 高等学校教材无机化学（上册）（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 503～507，428～429.