运用数字化仪器探究次氯酸的光照分解

鲁通

摘   要：通过数字化仪器缩短次氯酸光照分解的实验时间，用于课堂教学，使学生从数据变化中自己推导出次氯酸光照分解的化学方程式。

关键词：次氯酸；光照分解；数字化仪器；实验教学

次氯酸光照分解反应是高中化学的重要知识，2003版的全日制普通高级中学教科书中曾给出如图1所示的实验装置，但并没有编排具体的实验操作，原因是该实验需要几天时间才能出现较明显的现象[ 1 ]。新课改后三大版本的教材均未设计相应实验，而是直接给出了相应的化学方程式，人教版必修第一册[ 2 ]在科学·技术·社会栏目中提到了用数字化仪器去探究次氯酸光照分解的产物，并给出了图像，可以直接用于教学，但具体做实验效果如何，有待检验。朱卫华老师分别用pH传感器和电导率传感器测定氯水光照时数据的变化情况，取得了不错的效果，但是实验处于敞开体系，对空气有一定的污染[ 3 ]。

数字化仪器能够捕捉化学反应中的微弱变化，将其以数据、图像的形式直接呈现出来，非常直观，可以弥补传统实验的盲区。笔者在前人实验的基础上进行改进，利用三颈烧瓶作为一个密闭反应体系，用pH传感器和氧气传感器来监测次氯酸光照体系中pH与氧气浓度的变化，以此来进行实验教学。

1  实验原理

氯气在水中的溶解度不是很大：1升水可溶解2升氯气达到饱和，溶解的一部分氯气和水反应生成次氯酸，并且该反应是可逆反应，所以次氯酸的浓度很低。为了增大次氯酸的浓度以达到较好的实验效果，可以将新制氯水事先在暗处放置3-5天左右。用pH传感器和氧气传感器分别来监测光照氯水中pH与氧气浓度的变化，以数据、图像的形式加以呈现。

2  实验仪器及药品

（1）仪器：pH传感器、氧气传感器、数据采集器、计算机、三颈烧瓶、广口瓶、磁力搅拌器、台灯（功率：20W）。

（2）药品：氯水（暗处放置3-5 d）。

3  实验过程

（1）按照图2所示组装实验装置，将pH传感器、氧气传感器通过数据线分别连接到数据采集器，然后再连接到计算机，打开Lab Studio软件。

（2）在三颈烧瓶中倒入适量氯水并塞上橡皮塞，将其置于暗处30 min。将三颈烧瓶置于磁力搅拌器上，然后打开橡胶塞，插入带橡胶塞的pH传感器和氧气传感器，用胶带将氧气传感器固定和密封。

（3）打开磁力搅拌器，待pH值、氧气含量值不再变化时，打开台灯照射三颈烧瓶（图3），点击按钮进行数据采集。实验结束后，停止数据采集并保存实验数据与图像。

4  实验现象与分析

图4表明在光照过程中，三颈烧瓶内氧气含量开始逐渐增大，那么是否就说明反应产生了氧气呢？有研究表明具有强氧化性的气体，例如氯气，也能使氧气传感器（朗威）的数值增大[ 4 ]。笔者用图5装置做了相应实验：将氧气传感器插入放有高锰酸钾的三颈烧瓶中，用注射器注入浓盐酸，发现氧气含量并没有上升，而是大幅度下降（图6）。将氧气传感器取出后，氧气含量又立马上升，由此可见本实验用到的氧气传感器（正方体科技）不会因为氯水中氯气的挥发而使示数上升，相反的是会下降，因此氧气含量的升高说明光照过程中确实产生了氧气。

可以看到图4中2000 s后氧气浓度缓慢下降，这是为什么呢？笔者用图5装置将氧气传感器插入空的广口瓶，测得氧气含量变化如图7，氧气含量慢慢地下降，这是因为氧气传感器在测定氧气含量时本身是消耗氧气的。随着反应的进行，次氯酸浓度不断减小，分解产生氧气的速率逐渐减小，当消耗氧气速率大于产生氧气速率时，体系中氧气含量开始下降。图8表明在光照过程中，溶液的酸性逐渐增强，说明产生了比HClO酸性更强的酸，从元素守恒的角度可以推测是HCl。

从氧气传感器和pH传感器的数值变化中，学生可以清晰地看到次氯酸光照分解的事实，很快能够确定分解产物中有氧气。pH值的变化稍微慢些，需要一段时间。在教学过程中可以先让学生分析HClO光照分解除了O2，还有什么？让学生从元素守恒、氧化还原规律上进行思考，学生就会想到氧元素化合价升高，则必有元素化合价降低，那么这里要么是H+ 得电子生成H2，要么是氯元素得电子生成Cl-。这时候可以看到溶液pH降低的现象，说明酸性变强，还有一个产物自然能推出是HCl。学生通过观察到的现象结合逻辑分析，自己推导写出化学方程式，不但加深了对该方程式的印象，更重要的是培养了化学学科的思维方式，是“宏观辨识、微观探析、证据推理、科学探究”等核心素养的落实。

5  实验总结与反思

在本实验中，通过数字化仪器放大了实验现象，使得原本要几天才能看到的实验现象在10-15 min就可以看到，大大缩短了实验时间，并且次氯酸分解过程处于密闭体系，对环境污染小，可以将其应用于教学中。尽管如此，实验所需时间还是偏长，且溶液中pH的变化幅度较小，最好采集15 min以上的数据以排除实验误差原因。因此，如何加速次氯酸的光照分解，是本实验有待进一步研究的地方。

若是将此实验应用于课堂教学，可以让学生如前面所述边观察边分析，再观察再分析；若是觉得时间太久，教师可以课下事先做好实验，保存实验文件，在课堂上进行回放，加快播放速度，很快就能呈现数据、图像，清晰明了；除此之外，该实验还可以作为学校的化学校本课程，让学生自己动手操作探究次氯酸光照分解的产物，从实验的时间和操作难易程度上来看，都是比较适合的。

参考文献：

［1］ 人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书（必修）化学（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2003：66.

［2］ 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.全日制普通高中教科书（必修）化学（1）[M].北京：人民教育出版社，2019：45.

［3］ 朱卫华.利用传感技术探究次氯酸光照分解的实验[J].化学教与学，2013，（11）：87-88.

［4］ 王保强，李增坤，刘云芳.氧气传感器的原理及其在不同环境中使用的注意事项[J].化学教育，2019，40（23）.