电解饱和食盐水制漂白剂实验的可视化研究

莫小静 丁伟

摘要：本研究借助pH、氧化还原电位传感器定量测定电解饱和食盐水制备漂白剂的过程，得到时间pH、时间氧化还原电位图像，发现阴极的电极反应与OH、Cl2的反应共同影响溶液的pH变化，CUC1、HC10/C1：、HCIO/C1、CIO-/C1多种氧化还原电对共同影响溶液氧化还原电位。同时借助间接碘量法测定了在1.0A电流下电解100 mL饱和NaCI溶液3mlns制得的漂白剂的有效氯浓度，发现电解后的溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、织物消毒，能够满足日常生活所需。

关键词：电解食盐水；pH；氧化还原电位；定量计算

文章编号：1008-0546（2022）11-0088-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.020

一、研究问题

实验“电解饱和食盐水”选白人教版高中化学选择性必修1第四章第二节，用作电解原理的应用的例子。教材中该部分内容主要呈现了电解饱和食盐水的原理及该反应在氯碱工业中的重要作用，而对于实验现象、过程、结果并无过多呈现。并且该节内容在中学化学教学中的重点往往放在了电解过程中阴、阳极离子的放电顺序的机械记忆上，较少关注到实验的本身。书中提到氯碱工业可以制备“含氯漂白剂”，学生只能知道定性实验结果，但是无法量化感知制备的过程。要电解多长时间才能得到满足日常生活所需的含氯漂白剂？得到的含氯漂白剂浓度是多少？对于这些量化的指标教材中都无法给出确定的答案。

针对此现状，本研究着重探究以下问题：

（1）电解饱和食盐水过程中，化学反应的微观过程是怎么样的？微粒如何运动？

（2）需要电解多长时间才能得到满足日常生活所需的含氯漂白剂？得到的含氯漂白剂的浓度是多少？

二、实验方案

1．实验原理

（1）电解饱和食盐水过程的pH和氧化还原电极电位的变化

电解饱和食盐水的化学反应方程式为：

阳极：

阴极：

总反应：

在电解质溶液中，Cl：和OH-进一步发生反应：

Cl2+OH-=HClO+Cl-

④

HClO+OH-=ClO-+H2O

⑤

ClO-是漂白液的有效成分，也是氯碱T业的副产品，利用其氧化性能够将产品漂白。

氧化还原电位即ORP（Oxidation Reduction Poten-tial）能够反映溶液的宏观氧化还原能力，是水溶液氧化还原能力的测量指标，其单位是mV。从广义上讲，每1种不同的物质都有一定的氧化／还原能力，这些氧化还原性不同的物质能够相互影响，最终构成了一定的宏观氧化还原性。因此，ORP可以用来反映水溶液中所有物质具有的宏观氧化还原性。溶液氧化性越强，ORP越大；溶液还原性越强，ORP越小。

在电解饱和食盐水的过程中，由于生成了具有氧化还原能力的微粒，因此，可以测量反应过程中的ORP的变化，进而可视化反应的微观动态过程。同时电解饱和食盐水的过程生成了OH-，这是影响ClO-生成的重要因素之一，因此测量化学反应过程pH变化也能够可视化化学反应的微观进程。

（2）漂白剂与溶液的酸碱性

pH与次氯酸钠溶液平衡关系如图1所示：当溶液的pH<2，溶液中主要成分为Cl2；当溶液48，溶液中的主要成分为ClO-。Cl2／Cl-的标准电极电势为1.36 V，HClO/Cl2的标准电极电势为1.61V，HClO/C1-的标准电极电势为1.48 V，ClO-/Cl-的标准电极电势为0.89 V。

（ 3）NaCl0的不稳定性

次氯酸钠溶液在光照、加热的环境下会发生白发的分解反应，主要化学反应方程式：

2NaClO=2NaCl+O2

⑥

3NaClO=2NaCl+NaClO3

⑦

次氯酸鈉溶液在常温下会发生自然分解释放出新生态原子氧：NaClO=NaCl+[O]，而新生态原子氧具有强烈的氧化作用，能进一步引起一系列的反应：

NaClO+H2O=NaOH+HClO

⑧

NaClO+2HC10=NaClO3+2HCl

⑨

HCl+NaOH=NaCl+H2O

⑩

3NaClO=NaClO3+2NaCl

研究表明，在碱性条件下，次氯酸钠水溶液的分解主要是由反应（6）引起的一系列反应中各组分相互作用的宏观结果，[1]而[O]的放出是次氯酸钠分解的关键步骤，分解反应宏观上表现为准一级反应。因此，当体系的温度不变时，NaClO浓度越大，分解速率也越大。[2]

（4）测量电解结束后电解液的有效氯浓度

有效氯是指与每升产生的次氯酸钠溶液所具有的氧化能力相当的氯气的质量，用于定量表示消毒效果。有效氯浓度采取碘量法[3]测定，原理如下。

在酸性介质中，次氯酸根与碘化钾反应，析出碘，以淀粉为指示液，用硫代硫酸钠标准滴定溶液滴定，至蓝色消失为终点，反应式如下。

有效氯的质量浓度p（mg/L）的计算公式为：

式中，V1为滴定待测液时消耗的Na2S2O3·5H2O的体积（mL）；c为Na2S2O3·5H2o的浓度（mol/L）；M为氯原子的摩尔质量（g/mol）；V2为待测液体积（mL）。

2．实验用品

（1）实验药品

去离子水、饱和NaCl溶液、NaOH溶液、KIO3、Na2S2O3·5H2O、KI、H2SO4、淀粉溶液。

（2）实验用品

脱脂棉、橡胶塞、洗耳球、导线。

（3）实验仪器

Go Direct pH传感器、Go Direct ORP传感器、数据采集器（ Vernier，LABQ2）、磁力搅拌器、搅拌子、石墨电极、四口烧瓶（150 mL）、學生电源（0～32 V，0～3 A）、100 mL容量瓶、烧杯（50 mL）、移液管（25.00 mL）、碘量瓶（500 mL、100 mL）、50 mL四氟乙烯滴定管。

3．实验装置

测量电解饱和食盐水过程的pH和ORP变化的实验装置示意图如图2所示、碘量法测定有效氯含量装置示意图如图3所示。

4．实验过程

（1）可视化电解饱和食盐水过程

按如图4所示组装仪器，打开数据采集器，连接pH传感器与ORP传感器。向烧瓶中加入饱和NaCl溶液100 mL，设置数据采集频率为2样本／秒，点击“采集”按钮，待pH与ORP值稳定后（30 s），接通电源，电流为1.0 A，电解3 mins后关闭电源，待pH和ORP值稳定后（5 mins）停止采集数据，将数据保存并导出。

（2）定量滴定电解后的电解液

①0.1mol/L Na2S2O3溶液的配制：

取10.4 g结晶硫代硫酸钠，加入0.08 g无水碳酸钠，用新煮沸并冷却的蒸馏水溶解，稀释至400 mL，放置两周。

②Na2S2O3溶液的标定

准确称取（0.48+0.06）g干燥至恒重的工作基准试剂KIO3于50 mL小烧杯中，加新煮沸并冷却后的蒸馏水溶解后转移至100 mL容量瓶中，并用新煮沸并冷却后的蒸馏水稀释定容至刻线，摇匀后准确移取25.00 mL溶液于500 mL碘量瓶中，加2g碘化钾及20mL 20%的H2SO4溶液，盖上瓶塞轻轻摇匀，做好水封，于暗处放置10 mins。

将碘量瓶取出，用150 mL新煮沸并冷却后的蒸馏水稀释并同时冲洗瓶塞和瓶颈内壁，用待标定的Na2S2O3溶液滴定，慢摇快滴，至溶液出现淡黄色时，再加入2 mL 10 g/L淀粉溶液，快摇慢滴，溶液由蓝色变为无色即为终点，记录消耗的Na2S2O3标准滴定溶液的体积，平行实验3次。

③有效氯浓度测定

移取10.00 mL电解后的溶液置于100 mL碘量瓶中，加入10 mL碘化钾溶液和10 mL硫酸溶液，迅速盖紧瓶塞后用水封，于暗处静置5 mins。用硫代硫酸钠标准溶液滴定至浅黄色，加2 mL淀粉指示液，继续滴定至蓝色消失为终点。

三、结果与讨论

1．可视化电解饱和食盐水过程

借助pH传感器与ORP传感器测量电解饱和食盐水的过程，得到的“时间-pH”和“时间-ORP”图像见图5。

将数据127 s ORP异常数据剔除，导人到Origin数据处理软件，绘制出“时间-pH”和“时间-ORP”图像（见图6）。

在反应开始前，测得饱和食盐水的pH约为6.30，可能的原因有：a．配制饱和食盐水的溶剂去离子水呈弱酸性；b．在配制饱和食盐水后，溶液静置了一段时间，可能溶解了空气中少量CO2。

第一阶段：AB、A'B段（30s～34s）和BC、B'C段（34 s～39 s），溶液的pH和ORP都呈现出先上升后下降趋势，这个阶段中，阴极附近发生电极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，阳极附近电极反应：2Cl--2e-=Cl2↑，阳极附近生成的Cl2很快和阴极附近生成OH-发生反应：Cl2+OH-=HClO+C1-。阴极生成了OH-，同时由于Cl2和OH-发生反应消耗了OH-，因此溶液的pH先上升后下降；溶液中存在的氧化还原电对有φ0（H2O/H2）=-0.83，φ0（Cl2／Cl-）=1.36，φ0（HClO/Cl-）=1.61，此时溶液中Cl2、ClO-的浓度都比较小，溶液的ORP先上升再下降可能是由于φ0（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl-）、φ0（HClO/Cl-）三电对综合作用的结果。

第二阶段：CD和C'D段（39s～56s），溶液的pH和ORP都急剧上升。在外加电压的作用下，Cl2不断生成，由于Cl2的溶解度不大，生成的Cl2一部分溶解在溶液中，一部分逸散出体系，溶解在体系中的部分Cl2与OH-发生反应，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不断上升；溶液的pH约为6～8，此时溶液中有不断电解生成的Cl2、Cl2和OH-反应生成的HClO，HClO和OH-反应生成的NaClO。溶液中存在Cl2／Cl-、HClO/C12、HClO/Cl-、ClO-／Cl-多种氧化还原电对，氧化态氯元素主要以HC10和Cl0-的形式存在，因此在该阶段溶液的ORP急剧上升。

第三阶段：DE和D'E段（56 s～95 s），该阶段pH持续增大，ORP处于动态平衡。电解持续发生，Cl2仍有大部分逸散到溶液体系外，溶解在体系中的部分Cl2与OH-发生反应，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不断上升；此时溶液的pH约为8～10，此时溶液的碱性较强，因此溶液中主要存在不断电解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-发生反应生成NaClO，中间状态的HClO含量较低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化还原电对，而该电对的电位较小，会导致溶液的ORP有所降低，但同时由于电解持续进行，不断有Cl2和ClO-生成，又会使ORP增大，此时溶液的ORP处于一个动态平衡。

第四阶段：EF和E'F段（95 s～210 s），该阶段中pH趋于稳定，ORP处于一个动态平衡，随着Cl2的不断生成，溶液和气体环境中Cl2已经处于一个稳定的状态，因此生成的Cl2主要存在于溶液体系中，可以认为电极反应生成的Cl2和OH-恰好反应生成了NaClO，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也达到了相对稳定的状态。

第五阶段，FG、F'G段（210 s～213 s）和GH、G'H段（ 213 s～510 s），该阶段停止了通电，溶液的pH不断下降，在停电后瞬间溶液的ORP急剧下降，而后不断上升。逸散在容器内的Cl2溶解在溶液中，且部分与溶液中的OH-反应：Cl2↑+2OH-=ClO-+Cl-，消耗了OH-，生成了ClO-，因此溶液的pH下降，ORP上升；在停電后瞬间溶液的ORP急剧下降可能是由于停电瞬间，阳极附近生成Cl2的电极反应停止了，后ORP不断上升也可能是溶液中的NaClO在光照、温度的影响下发生了白分解，产生了氧化性极强的新生态原子氧，随着NaClO的不断分解，溶液的ORP不断上升。

2．定量滴定电解后的电解液

（1）KIO3标准溶液标定Na2S2O3溶液：

准确称取0.4825 g KIO3基准试剂配制KIO3标准溶液，并用标准溶液标定Na2S2O3溶液，滴定结果见表1。

式中，m为KIO3恒重后称取的质量，c为硫代硫酸钠溶液的浓度，M为KIO3的摩尔质量，V为样品消耗硫代硫酸钠溶液的体积，V0为空白消耗硫代硫酸钠溶液的体积。

（2）有效氯含量的测定

用标定后的0.1105 mol/L的Na2S2O3标准溶液滴定，三次平行滴定的结果见表2。

代人有效氯的质量浓度p（mg/L）的计算公式为

式中，V1为滴定待测液时消耗的Na2S2O3标准溶液的体积（mL）；c为Na2S2O3标准溶液的浓度（mol/L）；M为氯原子的摩尔质量（ g/mol）；V2为待测液体积（mL）。

电解后的溶液有效氯浓度为889.2mg/L，经查表4可知该浓度溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、织物消毒，能够满足日常生活所需。

四、实验结论

本研究利用了pH、ORP传感器，探究了电解饱和食盐水的微观过程。

通电后的第一阶段，溶液的pH和ORP都呈现出先上升后下降趋势的主要原因为溶液中φ0（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl一）、φ0（HClO/C1-）三电对综合作用的结果。在第二阶段，溶液的pH和ORP都急剧上升，该阶段在外加电压的作用下，Cl2和OH-不断生成，且氧化态氯元素主要以HClO和ClO-的形式存在。在第三阶段，pH持续增大，ORP处于动态平衡，溶液中主要存在不断电解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-发生反应生成NaClO，中间状态的HClO含量较低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化还原电对，而该电对的电位较小，但同时由于电解持续进行，不断有Cl2和ClO-生成，又会使ORP增大。第四阶段，pH值趋于稳定，ORP值处于动态平衡，溶液和气体环境中Cl2已经处于一个稳定的状态，生成的Cl2主要存在于溶液体系中，可以认为电极反应生成的Cl2和OH-冶好反应生成了NaCl0，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也达到了相对稳定的状态。

停止通电后，溶液的pH不断下降，在停电后瞬间溶液的ORP急剧下降，而后不断上升。主要可能逸散在容器内的Cl2再次溶解在溶液中发生反应，消耗了OH-，生成了ClO-。ORP不断上升也可能是溶液中的NaClO发生了白分解，产生了氧化性极强的[O]。

将电解后的电解液进行碘量法测定其中的有效氯浓度为889.2 mg/L。经过实验，可以发现，在1.0 A电流下电解100mL饱和NaCl溶液3 mins制得的漂白剂可以用于餐具、瓜果蔬菜、织物消毒，能够满足日常生活所需。

五、教育教学价值

1．实验过程定量化

对于化学反应，不仅要考虑其宏观可见的属性，还要考虑微观层面原子和原子的相互作用，化学面临的挑战就是如何让学生“看得见”微观粒子的运动，而可视化被认为是一种较好的解决方法。

对比经典的电解饱和食盐水实验，本实验突出了电解池的应用价值，借助数字化传感器，将实验的微观过程以图像的形式进行表征，可视化地呈现了电解饱和食盐水制备漂白剂的过程；借助间接碘量法，测定电解结束后电解液的有效氯含量，定量化地呈现了电解饱和食盐水制备漂白剂的过程。本研究重点探讨了电解饱和食盐水微观过程与电解饱和食盐水制备漂白剂的结果，充分利用化学实验的独特价值，将电解的过程与结果相结合，多角度、全方位地剖析电解原理，让实验回归课堂，弥补传统实验教学中多定性、少定量的问题。[5]

2．学习过程具身化

将本实验应用于教学实践，学生可以通过微型装置搭建、可视化数据采集与表征、定量化结果滴定等活动，亲身经历实验设计、数据采集、数据表证、数据分析的过程，将定性的实验现象转化为可定量感知的数据，感受电解后溶液的消毒效果。在实验互动中，同学们丰富了对电解池的认识，有效强化了对电解池原理概念的理解，而教师也能看见学生的学习路径，[6]及时发现学生的学习困难，实现高效干预促进学生学习的效果。

参考文献

[1]马德垺，苏瑜，薛仲华．次氯酸钠水溶液分解动力学的研究[J]．上海工程技术大学学报，2002（1）：8-10.

[2]王万林．次氯酸钠溶液稳定性研究进展[J]．无机盐工业，2007（9）：12-14+30．

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．中国．GB19106-2013.2014．

[4]中华人民共和国国家卫生健康委员会，次氯酸钠发生器卫生要求：GB 28233-2020[S]．北京：中国标准出版社，2020-04-09．

[5]张瑾，林月环．化学实验教学的现状及基于核心素养的策略研究[J]．化学教与学，2020，No．523（7）：78-81.

[6]陈俊杰．基于理解和可见的电化学实验教学实践[J]．化学教与学，2021，No.554（4）：86-89+96．

*本文系华东师范大学教育学部大学生科研基金2021年度“在线教育及教师发展”专项项目“数据可视化到数据故事化的实践路径研究”（编号：ECNUFOE2021KYZX017）的成果之一。