84消毒液与医用酒精的反应原理探究

翁雪香 吴朝辉 徐彦博 王盈懿

摘要： 围绕84消毒液和医用酒精混用能否引起氯气中毒的争论，从考察两者混合反应有无碱和氯气生成入手，设计系列实验进行求证;结合理论计算，讨论分析影响氯气逸出浓度的关键因素。实验结果发现，在84消毒液与医用酒精混合的初始阶段有少量氯气逸出，而体系中存在的酸性物质会促进Cl2的生成和逸出;当C2H5OH的氧化产物CH3CHO积累到一定浓度，CH3CHO与Cl2、 NaClO在强碱催化下可发生卤仿反应。

关键词： 84消毒液; 医用酒精; 反应原理; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2021）03-0074-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

2019年底暴发的新型冠状病毒性肺炎对生产生活带来了巨大冲击。为消灭病毒、战胜疫情，卫生防疫部门要求用医用酒精、84消毒液等做好个人与环境的消杀。关于两种消毒剂使用的注意事项，一些自媒体给出了以下两种说法。

说法一： 84消毒液与医用酒精混合可产生Cl2。人吸入Cl2后易感染呼吸道和肺部，导致支气管炎和肺水肿，吸入Cl2量过大会导致心脏骤停。所以84消毒液和医用酒精切不可混用。

说法二： 不会产生氯气。为稳定ClO-，84消毒液中添加了少量NaOH。强碱性条件抑制Cl2逸出。酒精和84消毒液混合，可能发生反应： NaClO+C2H5OHNaCl+CH3CHO+H2O，生成没有杀菌能力的乙醛。幸好这个反应速率很慢。另外，乙醛可能会被NaClO氧化成乙酸或者发生卤仿反应。

我们还发现，浙江某市的高三适应性试卷根据第一种说法命制了一道模拟试题[1]。

某兴趣小组为了探究84消毒液（主要成分是NaClO）与酒精混合是否存在安全隐患，利用图1所示装置进行实验。

请回答：

（1） 三颈烧瓶中出现黄绿色气体，请写出相应的化学方程式        。（乙醇氧化为乙醛）

试题以下部分省略。

参考答案： （1） 2NaClO+CH3CH2OHCH3CHO+2NaOH+Cl2↑（式①）。

参考答案公布后，立即引发了学生的质疑与讨论，形成了多种不同的观点。

观点一  如果考虑Cl2与NaOH的后續反应，可得：

ClO-+C2H5OHCl-+CH3CHO+H2O（式②）;

式②即上文说法二中提及的反应原理。

观点二  CH3CHO可能被Cl2氧化：

CH3CHO+Cl2+H2OCH3COOH+2H++2Cl-（式③）;

生成的HCl再与体系中的NaOH反应，与式①、 ③耦合可得：

2ClO-+CH3CH2OHCH3COOH+2Cl-+H2O（式④）;

强氧化性的NaClO也可能将CH3CHO氧化：

CH3CHO+ClO-CH3COOH+Cl-;

与式②耦合，同样得式④。

观点三  CH3COOH与ClO-之间能发生复分解反应，与式④耦合可得：

3ClO-+CH3CH2OHCH3COO-+2Cl-+HClO+H2O（式⑤）。

观点四  在CH3COOH作用下，Cl-、 ClO-会生成Cl2，与式④耦合可得：

2CH3CH2OH+5NaClOCl2↑+2CH3COONa+3NaCl+3H2O（式⑥）。

也有赞同参考答案的：“Cl2生成后脱离溶液，与NaOH不能充分接触，Cl2与NaOH就同时生成了”。

84消毒液和医用酒精混用会不会造成Cl2中毒？模拟试题是实验结果的投射还是命题者的主观判断？学生对参考答案的质疑合不合理？为解答这些疑问，我们设计如下系列实验以一探究竟。

2  实验探究

2.1  试剂与仪器

试剂： 84消毒液（有效氯含量8～10.5g/L）、医用酒精（酒精含量70%～77%）、氢氧化钠固体、2mol/L盐酸、40 wt%乙醛

仪器： PHS-3C型pH计、E-201-C型pH复合电极、恒温磁力搅拌器

2.2  实验过程与分析

梳理各个方程式的产物后，决定围绕式①设计实验： 用pH计实时检测混合液的pH变化，用湿润的KI-淀粉试纸检验有无Cl2生成。试剂用量控制为84消毒液10mL[经计算c（NaClO）为0.22～0.30mol·L-1]、医用酒精5mL[经计算c（C2H5OH）≈12.2～13.4mol·L-1]。酒精过量的目的是提高式①的比例。

每个实验均平行三次，实验数据取平均值。为了减少反应热效应对实验的影响，溶液混合采用缓慢滴加方式： 10min左右将所滴加液体全部加完。除已指明反应温度的实验外，均恒温27℃。

2.2.1  溶液pH变化的探究

[实验1]取2份5mL 84消毒液，缓慢滴加医用酒精或蒸馏水各10mL，用pH计检测pH变化（每分钟记录一次数据），结果见图2。滴加完成后，停止测pH，装置加盖密封，盖子内侧贴KI-淀粉试纸，观察试纸颜色变化。试纸颜色变化情况见下文。

84消毒液的有效成分是NaClO，其浓度为0.22～0.30mol·L-1。NaClO会水解，由Ka（HClO）=2.8×10-8得Kh（NaClO）=KwKa=3.6×10-7，计算不同浓度的NaClO溶液的理论pH，如表1所示。由表1推测，84消毒液的pH应小于10.8，而实验1测得pH初始值为12.37（见图2），这就证实了“说法二”中的“为稳定ClO-，84消毒液中添加了少量NaOH”的说法。

用NaOH固体吸收酒精中溶解的CO2。调pH至8是防止乙醇中c（OH-）过高抑制Cl2生成。试纸在50s时变蓝，41min时褪色。

对比实验4、实验5的褪色时间，说明医用酒精与84消毒液混合会生成Cl2、乙醇中溶解的CO2会促进Cl2生成。从褪色时间以及在10min、 20min时闻容器内气体的气味，无明显刺激性，说明生成Cl2的速率與浓度并不大。

2.2.3  消毒液与乙醛、乙酸的反应

[实验6]取2份10mL质量分数为40%的乙醛溶液与5mL 84消毒液，分别缓慢地相互滴加，用pH计检测溶液pH变化（每隔一分钟记录一次数据），结果见图5。持续观察溶液颜色变化，结果见表2。滴加完成后，将装置密封，盖子内侧贴KI-淀粉试纸，观察试纸变色情况。

实验6的结果有： （1）无论是消毒液中加入乙醛，还是乙醛中加入消毒液，溶液皆是逐渐变黄色，最后都有黄色油状液滴析出，只是产生这些变化的时间不同（见表2）;（2）容器中的KI-淀粉试纸始终未见变色。甚至取黄色溶液直接滴在湿润的试纸上，试纸也不变色;（3）两份溶液的最终pH相差不大（见图5）。由上述实验现象，可得出如下推论：

第一，CH3CHO在NaClO的碱溶液作用下发生卤仿反应，油状液体应是CHCl3。在碱的催化下，当乙醛的一个α-H被氯原子取代后，由于氯原子的吸电子作用，使得CH3CHO的α-H的酸性增强，更易被氯原子取代。所以在碱的催化下，乙醛的三个α-H会全部被氯原子取代生成三氯乙醛。三氯乙醛在碱溶液中不稳定，与NaOH反应生成氯仿和甲酸钠。方程式如下[5，6]：

CH3CHO+3NaClOCCl3CHO+3NaOH

CCl3CHO+NaOHCHCl3+HCOONa

第二，两种滴加方式的差异主要是试纸变色的时间（见表2）。参照碱性条件下丙酮的碘代反应，乙醛的氯代反应的速率与Cl2浓度无关，而与乙醛、碱的浓度成正比，即v=kc（CH3CHO）c（OH-）[7]。分析pH曲线与所用试剂的浓度，在混合的前几分钟，CH3CHO与NaClO的反应速率主要由c（OH-）决定，所以消毒液中缓慢加入乙醛，c（OH-）大，反应速率相对较快，溶液更早出现黄色。

[实验7]  取10mL 84消毒液于锥形瓶，滴加稀CH3COOH溶液（配制方法： 取冰醋酸1mL，加水稀释至10mL），每加完1滴管就加塞子密封，持续振荡1min，闻气体的气味（实验时室温为35℃）。

溶液中无明显气泡产生，锥形瓶内气体未显黄绿色。加至4滴管，刺激性气味明显加重。将锥形瓶密封放置10min，气体的气味很刺鼻。说明在CH3COOH作用下，消毒液释放出的Cl2足以被感官辨识。

Cl2（g）+2OH-（aq）Cl-（aq）+ClO-（aq）+H2O（l）  Kθ1=7.7×1015（25℃）

CH3COOHCH3COO-+H+  Ka=1.8×10-5（25℃）

式⑥的平衡常数K2=K2a×K2w/Kθ1=421，反应能自发进行。实验7也反向证实实验6中没有CH3COOH生成。虽然从理论上看，碱性条件下NaClO[φθB（ClO-/Cl-）=0.81V]可以氧化CH3CHO[φθB（CH3COOH/CH3CHO）=-1.22V]，但可能这个反应的活化能比较大。

3  结论与反思

综合上述实验探究及理论计算的结果，我们得出以下结论：

（1） 84消毒液与医用酒精混合会有Cl2逸出。NaClO氧化C2H5OH时，会生成Cl2，而NaOH溶液吸收Cl2的速率不快[8]，所以有Cl2从混合液中逸出。

（2） 消毒液与医用酒精反应生成的Cl2的浓度较低。一是随着C2H5OH和NaClO反应的进行，产物NaOH浓度增大，吸收Cl2的能力增强。二是在碱催化下，Cl2会与CH3CHO发生卤仿反应。三是碱性条件下，CH3CHO不会被NaClO氧化成CH3COOH（上述“说法二”中的相关叙述不正确），也就没有出现CH3COOH促进Cl2生成的情形。Cl2只是在两种溶液刚混合时有少量生成，所以模拟试题中“三颈烧瓶中出现黄绿色气体”的说法值得商榷。

（3） 空气中的CO2、乙醇中溶解的CO2均会增大Cl2的浓度，导致Cl2浓度超出安全限度。需提醒的是，使用84消毒液进行室内消毒时，因水膜表面积大，与空气接触充分，生成Cl2的速率与浓度都明显增大，所以消毒后不久就可闻到较刺鼻的刺激性气味。从安全角度考虑，在一个较封闭的室内使用84消毒液时，一是要对84消毒液原液按要求比例进行稀释（1∶100）;二是消毒结束后要用清水重新擦拭消毒区域，并保持通风以降低室内的Cl2浓度。上述“说法一”虽然说消毒液与酒精混合有Cl2生成，但归因有误。

（4） 卤仿反应是影响Cl2逸出量的关键因素。CH3CHO与Cl2在碱催化下较快地进行卤仿反应，而且发生卤仿反应时消耗的Cl2量大于C2H5OH氧化阶段生成的Cl2量，需要NaClO作为氯原子的补充来源。所以当CH3CHO的浓度积累到足以发生卤仿反应时，混合液就不再有Cl2逸出。所以消毒液与酒精混合的主要反应如下（不考虑其他副反应）：

2NaClO+CH3CH2OHCH3CHO+2NaOH+Cl2↑

CH3CHO+3Cl2+3NaOHCCl3CHO+3NaCl+3H2O

CH3CHO+3NaClOCCl3CHO+3NaOH

CCl3CHO在碱性条件下水解，故总反应式可表示为：

C2H5OH+4NaClOCHCl3+HCOONa+2NaOH+NaCl+H2O

工业上可用乙醇代替乙醛或丙酮制取氯仿[9]，证实了上述过程的可能性。在本文选择的实验条件下，因氧化反应与卤仿反应的速率慢，生成的CHCl3少，CHCl3溶解在过量C2H5OH中，所以实验1、实验3均未观察到分层现象。

此次求证过程让我们感受到了化学反应的复杂性： 既有遵从化学原理和规律的共性的一面，又有具体问题具体分析的个性的一面。中学教师若欲利用陌生情境命制试题时，有必要从物质个性的角度进行实验求证，以获得第一手资料，在实验事实的指导下命制试题，从而提高试题的科学性。日常教学碰到疑难问题不足为怪，但需要我们激活好奇心以一探究竟，在探索中提升自己的化学学科专业素养。

参考文献：

[1]浙江省选考科目考试绍兴市适应性试卷（2020年4月）[EB/OL]. https：//wenku.baidu.com/view/64e2aa3833b765ce0508763231126edb6e1a7665.html. [2020-4-21].

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·实验化学（选修）（第二版）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2009： 57.

[3]杜强. 氯气[EB/OL]. https：//baike.baidu.com/item/%E6%B0%AF%E6%B0%94/1759805？fr=aladdin. [2016-1-16].

[4]周金汉， 王成羽. 二氧化碳在乙醇水溶液中的溶解度[J]. 化学工程， 1996， （1）： 63～67.

[5]邢其毅， 裴伟伟， 徐瑞秋等. 基础有机化学（第4版）[M]. 北京： 北京大学出版社， 2016： 481.

[6]姚映钦. 有机化学[M]. 北京： 化学工业出版社， 2008： 238.

[7][9]王积涛， 王永梅， 张宝申等. 有机化学（第三版）[M]. 天津： 南开大学出版社， 2009： 372， 373.

[8]张红卫. 用氨水吸收氯气尾气[J]. 化学教学， 2013， （9）： 44～45.