三种传感器多重表征探究氯水反应的可逆性

摘要：在避光条件下和光照条件下，从氯水反应的反应物、生成物角度，利用pH、 O2和色度传感器多重表征来探究氯气与水反应的可逆性。

关键词：氯气与水反应；传感器；可逆性

文章编号：1008-0546（2016）10-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.10.032

一、问题提出

氯气与水的反应是高中化学必修内容，人教版必修一和二两本教材对该知识点的呈现存在两种形式[1]，人教版必修一第四章第二节中关于氯水反应的化学方程式是用“”连接的[2]，但在必修二第二章中的“反应速率”一节中介绍可逆反应时，却直接举例氯水的反应是可逆的[3]，并未给出任何讲解说明。关于氯水反应的可逆性，教材缺乏过渡性衔接，该知识点在实际教学中又是难点[4]，为了帮助学生直观形象地建构知识，笔者拟从氯水反应的反应物、生成物角度，利用pH、O2和色度传感器多重表征来探究其可逆性。

二、实验仪器及试剂

试剂：氯气、饱和NaCl溶液、NaCl（固）、H2O、NaOH溶液。

仪器：pH传感器、O2传感器、色度传感器、数据采集器、磁力搅拌器、锥形瓶、分液漏斗、三颈瓶、燃烧匙、烧杯、滴管、药匙、深色布块等。

三、实验步骤及图像分析

实验1：避光条件下，氯气通入水中后加入固体氯化钠的pH变化

（1）按图1所示装置组装仪器，三颈瓶中加入150mL的水，燃烧匙中加入少量NaCl（固），连接好用pH传感器，用深色布块遮盖三颈瓶遮光。

（2）开启磁力搅拌器，打开分液漏斗活塞，滴加饱和氯化钠溶液，排出氯气，通入三颈瓶中与水反应，点击数据采集，观察pH曲线变化，变化趋势如图2所示。

（3）当曲线下降至基本不变时，关闭活塞停止通入氯气。保持遮光，旋转燃烧匙加入固体氯化钠，观察pH曲线变化，变化趋势如图3所示。

图象分析：

如图2，开始通入氯气一段时间后，pH下降至几乎不再改变，pH曲线进入平台，形成饱和溶液。验证了氯气和水反应生成了酸，即Cl2+H2OHCl+HClO，离子方程式为Cl2+H2OH++Cl-+HClO。饱和氯水为黄绿色，说明此时氯气并未完全反应，反应是可逆的。如图3，停止通入氯气后，向溶液中加入固体NaCl，随着NaCl的溶解，pH出现增大趋势，说明Cl-浓度的增大导致了H+浓度在减少，发生了离子反应：H++Cl-+ HClOCl2+H2O，即HCl+HClOCl2+H2O，氯水反应是可逆的。

实验2：光照氯水的pH、O2、色度的变化

（1）按图4所示装置组装仪器，三颈瓶中加入150mL的水，连接好用pH和O2传感器，用深色布块遮盖三颈瓶遮光。

（2）开启磁力搅拌器，打开分液漏斗活塞，滴加饱和氯化钠溶液，排出氯气，通入三颈瓶中与水反应，点击pH数据采集，观察pH曲线变化，变化趋势如图5所示。

（3）当曲线下降至基本不变时，关闭活塞停止通入氯气。取少量氯水样品留用。保持密闭，点击pH、O2数据采集，摘除深色布块，光照三颈瓶，观察O2、pH曲线变化，变化趋势如图6所示。

（4）按图7所示装置，开启色度传感器准备采集数据，选择波长460nm并较准。向取样瓶中滴加氯水样品至3/4体积，迅速盖上瓶盖放入传感器中，关闭上盖，点击开始采集，观察色度吸收率变化，变化趋势如图8所示。

图5所示趋势表明，开始通入氯气一段时间后，pH下降至几乎不再改变，pH曲线进入平台，形成了饱和氯水。观察图7发现，光照饱和氯水时 O2的百分含量增大，说明了光照时次氯酸发生了分解，pH减小、H+浓度增大。观察图8发现，光照饱和氯水时溶液的吸收率在减小，即氯气溶解减少，观察取样瓶中的氯水也可发现溶液颜色明显变浅。

结合pH、O2和色度图可知，由于HClO发生分解，使氯水反应平衡向正向移动，离子反应：Cl2+H2O H++Cl-+HClO，证明氯水反应是可逆的。

四、实验结论

利用三种传感器，通过避光条件下在饱和氯水中溶解NaCl的pH监测和在光照条件下饱和氯水的pH、O2和色度吸收率图像对照分析，将传统实验的宏观现象表征和数字化传感器的曲线表征相结合得出氯水反应的可逆性的符号表征：Cl2+H2OHCl+ HClO，其离子反应为：Cl2+H2OH++Cl-+HClO 。在实际的课堂教学中，根据学生的实际情况，在必修1、2和选修4化学平衡移动的学习中，可以选择上述不同的呈现形式进行展示，该组实验现象明显，具有可操作性，可以激发学生学习兴趣，增强实验的探究性，教学效果好。

五、实验注意事项

1.新制饱和氯水时需用深色布块严密遮光。

2.O2传感器使用需装置密闭。

3.光照可选用自然阳光或手机光照射。

4.利用饱和食盐水排氯气是为了得到气流稳定的氯气。

5.实验中要控制氯气的量和少量尾气的吸收。

参考文献

[1] 张映明.氯气与水的歧化反应是可逆反应[J].化学教学，2015（2）：91

[2] 人民教育出版社课程教材研究所. 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，2012：83-84

[3] 人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书・化学2（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：51

[4] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003