濃鹽酸與二氧化錳反應臨界濃度的研究

1、濃鹽酸與二氧化錳反應臨界濃度的研究高二（11）班 李韻 魏永杰 陳勁 朱翡翠 林業(yè)恒指導教師 謝小瑩 曾錦平【摘要】本文運用氧化還原反應電極電勢與能斯特方程的理論知識，分析了鹽酸的濃度對濃鹽酸與二氧化錳反應的進程的影響，揭示了稀鹽酸與二氧化錳不能反應的原因。通過對不同實驗方案的探討，選擇了通過測定反應生成Cl2，來計算反應停止時剩余溶液中HCl的質(zhì)量分數(shù)的實驗方案來進行測量，并通過實驗，粗略測算出濃鹽酸與二氧化錳反應的臨界濃度約為21.85%?！娟P(guān)鍵詞】濃鹽酸 二氧化錳 臨界濃度【問題的提出】我們在高一化學的學習中知道，實驗室制氯氣中的其中一種方法是：濃鹽酸與二氧化錳反應制氯氣。在課堂上老師強

2、調(diào)要使用濃鹽酸去制取，這引起我們極大的興趣：濃鹽酸與二氧化錳反應的臨界濃度（指濃鹽酸與二氧化錳由反應到不反應時濃鹽酸的濃度）究竟要達到多少呢？濃鹽酸的濃度，反應中的溫度，鹽酸被氧化的程度與反應有什么關(guān)系呢？對此我們進行了研究?！狙芯磕康摹客ㄟ^研究，測算出濃鹽酸與二氧化錳反應鹽酸的臨界濃度，為實驗室制取氯氣時鹽酸的用量和濃度的選擇提供參考。【研究過程】1、查閱各種高中化學參考書和大學無機化學，尋找理論依據(jù)；2、設(shè)計實驗方案，進行實驗測定；3、對測量結(jié)果進行計算、分析，得出結(jié)論?！狙芯拷Y(jié)果】一、理論分析：實驗室制取氯氣的其中一個方法用二氧化錳與濃鹽酸共熱制取氯氣，其反應方程式為：4HCl (濃)

3、+ MnO2 2H2O + Cl2+ MnCl2 ，屬于氧化還原反應。查閱大學無機化學，我們知道，氧化還原反應發(fā)生的方向：強氧化型1 + 強還原型2 = 弱還原型1 + 弱氧化型2將氧化還原反應看作原電池反應，并將電池反應分解為兩個電極反應，反應物中還原劑的電對作負極，反應物中氧化劑的電對作正極。當負極的電勢（）更負，正極的電勢更正，電子就可以自動地由負極流向正極?；蛘哒f，電流能自動的由正極流向負極。負極的還原型能將電子自動給予正極的氧化型，電池電動勢必須為正，既E0，反應就能自動向右進行。根據(jù)這一理論，我們將鹽酸與二氧化錳的反應拆成兩個半反應，并從無機化學中查出他們的標準電極電勢（標準狀態(tài)、

4、離子濃度為1 mol/L時的電極電勢，用表示）：還原劑： Cl2 + 2e2Cl 1.3583 V氧化劑： MnO2 + 4H+ +2eMn2+ + 2H2O 1.228 V1.228 V1.3583 V0.1323 V0說明在室溫（298K），鹽酸濃度為1 mol/L，Cl2的分壓為101.3 kPa時，反應不能自發(fā)地向右進行。根據(jù)能斯特方程：，在溫度保持298K的條件下，改變鹽酸的濃度，其電極電勢變?yōu)椋海纱宋覀儾浑y看出，增大溶液中H+的濃度，可以增強MnO2Mn2電對的氧化性，從而使原本不能向右自發(fā)進行的氧化還原反應自發(fā)向右進行。我們試圖通過理論計算，從上述表達式求出當E0時，鹽酸的臨界

5、濃度（H+），但很顯然，要解出該方程式，就必須要測出Mn2、Cl的濃度，這顯然是很難做到的。我們唯有通過定量實驗的方式進行測算。 二、實驗方案設(shè)計方案一：實驗依據(jù)：根據(jù)尋找上限及下限的方法（采用各種不同濃度的鹽酸與二氧化錳反應），最后得出臨界濃度。此方案需要配制許多各種濃度的鹽酸，步驟繁多，同時會浪費許多藥品，生成大量的氯氣也會污染環(huán)境，有損健康。而且測得的數(shù)據(jù)不精確，不能達到我們研究的目的。方案二:濃鹽酸MnO2飽和食鹽水熱水濃鹽酸MnO2飽和食鹽水方案二裝置圖方案二裝置圖（改進）實驗依據(jù)：濃鹽酸與二氧化錳反應過程中，濃鹽酸的濃度不斷降低，當鹽酸濃度降至臨界濃度時，反應停止。根據(jù)反應生成氯氣

6、的體積，可求出參加了反應的HCl的質(zhì)量。用反應前HCl的總質(zhì)量減去參加反應HCl的質(zhì)量，算出剩余HCl的質(zhì)量，再求出反應后剩余鹽酸的質(zhì)量（不含氯化錳），就可以求出臨界濃度。 該方案的優(yōu)點是器材少，操作簡單，但計算較為復雜。 分析上述兩種方案，我們不難看出：方案二的可操作性強，因此我們決定按方案二來進行測定。 （一）實驗過程： 1、儀器：鐵架臺、鐵圈、鐵夾、酒精燈、大試管、導管若干支、單孔塞、廣口瓶、大燒杯2個、溫度計、25 mL酸式滴定管、100mL的量筒。 2、藥品：濃鹽酸、二氧化錳、飽和氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液。3、具體實驗過程：將裝置按改進裝置由下到上，由左到右連接好，檢查裝置的氣密性。

7、用酸式滴定管向大試管中加入2.40 mL 36濃鹽酸。將試管傾斜，將一藥匙MnO2小心的放在試管上半部分，塞緊膠塞，將試管豎直，使MnO2滑入試管底部，與濃鹽酸接觸反應。往燒杯中注入大半杯熱水（約80）。當水溫下降時點燃酒精燈加熱燒杯內(nèi)的水，將溫度控制在80攝氏度左右，直到反應完全進行完畢。待到全裝置恢復到室溫后，測出排出的飽和氯化鈉溶液的體積（即生成氯氣的體積）。打開膠塞，將氫氧化鈉溶液倒入到試管中以達到除去剩余氯氣的目的。將氫氧化鈉溶液倒入廣口瓶中除去瓶中的氯氣。拆除并清洗儀器。4、結(jié)果：對于這個方案我們進行了多次實驗，經(jīng)過篩選得出三次實驗的數(shù)據(jù)來作為計算的數(shù)據(jù)。三次的實驗所測得的數(shù)據(jù)如下

8、表第一次實驗第二次實驗第三次實驗鹽酸的用量2.40 mL2.40 mL2.40 mL二氧化錳的用量一大藥匙一大藥匙一大藥匙氯氣的體積78 mL81 mL79mL實驗時室溫為21（294K），壓強為常壓（假定為標準大氣壓）。所用濃鹽酸濃度為36，密度是1.18 g/cm3。（二）計算：由查理蓋呂薩克定律可知，在氣體物質(zhì)的量和壓強一定時，有，設(shè)標準狀況下Cl2的體積為V0(Cl2)，室溫（T）下測定的氯氣的體積為V(Cl2)，則有。將上表中的數(shù)據(jù)分別代入計算，得V0(Cl2)172.4 mL，V0(Cl2)273.4 mL，V0(Cl2)375.2 mL。由化學方程式4HCl (濃) + MnO2

9、 = 2H2O + Cl2+ MnCl2 可得： 所以，反應停止時溶液中鹽酸的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（溶液質(zhì)量只考慮HCl和水，不考慮MnCl2）為把相關(guān)數(shù)據(jù)（濃鹽酸濃度為36，密度為1.18 g/cm3，濃鹽酸體積為2.40 mL以及標況下氯氣體積V0(Cl2)172.423 mL，V0(Cl2)275.214 mL，V0(Cl2)373.357 mL，Vm22.4 L/mol，M(HCl)145.844 g/mol，M(H2O)18.015 g/mol）分別代入，得22.12%，21.51%，21.92%結(jié)論：濃鹽酸與二氧化錳反應的臨界濃度是： 21.85 。（三）誤差分析：1、濃鹽酸具有揮發(fā)性，因

10、此實際我們用到的鹽酸質(zhì)量分數(shù)未必是瓶中標示的36%，可能會更低。2、實驗過程需要加熱，因此在實驗中會有一部分的HCl揮發(fā)，溶于飽和的氯化鈉溶液中。3、雖然氯氣在飽和食鹽水中溶解度較低，但仍會有少量的氯氣溶于食鹽水中，造成實際測定的氯氣體積偏低。4、各儀器的精確度。 上述原因可使測定結(jié)果出現(xiàn)偏差?！臼斋@與體會】 在這一課題的研究中，我們的組員皆能秉承團結(jié)協(xié)作，共同努力的精神。經(jīng)歷了長達半年多的課題研究歷程。我們從中學習了許多課本上所學不到的知識，研究中的方案完全是我們自己想出來的并由自己組裝儀器。這樣不僅提高了我們的創(chuàng)新精神和獨立思考問題的能力，并且鍛煉了我們的動手能力。 課題研究的過程中，我們

11、都多次遇到了看似不可解破的難題，但我們都能夠迎難而上，積極的在書籍中、網(wǎng)上的資料中尋找解決問題的辦法，并能夠虛心請教指導老師，直到解決問題為止。 在多次的實驗中，由于我們的操作經(jīng)驗有限，有時會造成疏忽，我們都能冷靜地處理好。從而增強了我們的自我應變能力。 同時，通過本次的研究中學會了進行科學實驗研究的途徑和科學研究中嚴謹求實，知難而進的精神。 最后，希望我們的研究能夠?qū)ν瑢W們學好高中化學有所幫助，對實驗室制取氯氣時鹽酸的用量和濃度選擇提供參考?！緟⒖嘉墨I】1、人民教育出版社化學室編著全日制普通高級中學教科書（必修）·化學·第一冊北京：人民教育出版社，20036， 第一版2、北京師范大學無機化學教研室等編無機化學·上冊（第三版）北京：高等教育出版社，19925【指導教師評析】本課題對學生而言是有相當難度的。因為該反應雖然是高一所學的內(nèi)容，但深入探討需要用到大學化學的有關(guān)知識，并且反應產(chǎn)生的氯氣是有毒氣體。然而該課題組的同學毫不畏懼，在老師的指導下