SO2通入BaNO32溶液中反應(yīng)原理實(shí)驗(yàn)研究

1、SO2通入Ba(NO3)2溶液中反應(yīng)原理的實(shí)驗(yàn)研究庾丹、葉芬芬 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院摘要：SQ氣體通入Ba(NO)2溶液中會(huì)產(chǎn)生沉淀，產(chǎn)生沉淀的原因是氧氣和硝酸 根的氧化作用，人們一般認(rèn)為反應(yīng)中硝酸根氧化亞硫酸根的能力更強(qiáng)，是產(chǎn)生沉淀的主導(dǎo)因素，本文通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用 pH傳感器，得到不同反應(yīng)條件下溶液 的pH變化曲線，分析曲線得知在該反應(yīng)中氧氣和硝酸根都能夠氧化亞硫酸根， 但是氧氣氧化能力更強(qiáng)。關(guān)鍵詞：pH傳感器、SO、Ba(NO)2溶液、BaCL溶液1問題的提由SO是典型的無(wú)機(jī)化合物之一，在習(xí)題或者高考題中也常出現(xiàn)“向 Ba(NO)2 溶液中通入SO氣體，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”等類似的題目?；?/p>

2、本的共識(shí)是：SO氣體通入Ba(NO)2溶液中會(huì)產(chǎn)生BaSO沉淀，因?yàn)槿芤褐醒鯕夂拖跛岣伎梢詫喠蛩?根氧化為硫酸根，考慮到硝酸的強(qiáng)氧化性，也有人認(rèn)為硝酸根的氧化作用是主要 的。我們的問題是：上述情況下，氧氣和硝酸根是否都起了氧化劑作用？如果是， 氧氣和硝酸根誰(shuí)氧化亞硫酸根的能力更強(qiáng)？ 2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了探究SO氣體通入Ba(NO) 2溶液這個(gè)反應(yīng)中氧氣與硝酸根的氧化作用， 我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別測(cè)定SO氣體在有氧和無(wú)氧情況下通入BaCl2溶液、Ba(NO)2時(shí)體系的pH變化曲線，再通過(guò)對(duì)上述曲線的對(duì)比分析 得出結(jié)論。2.1 實(shí)驗(yàn)用品實(shí)驗(yàn)藥品：食用油、蒸儲(chǔ)水、0、1mol/L的B

3、a(NO)2溶液、0、1mol/L的BaCb 溶液、NazSO固體、稀H2SO溶液(濃硫酸與水體積比1:5)、飽和NaOH實(shí)驗(yàn)儀器：pH傳感器(Vernier公司產(chǎn)品)、帶活塞的注射器、玻璃導(dǎo)氣管、玻璃尖嘴管、橡皮導(dǎo)管、酒精燈、鐵架臺(tái)、50mL、燒杯若干、錐形瓶若干。2.2 實(shí)驗(yàn)裝置溶解結(jié)晶的亞硫酸鈉飽和溶液待測(cè)溶液2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)比實(shí)驗(yàn)一對(duì)比試驗(yàn)二步 驟A燒杯中加入煮B燒杯中加入未 煮沸的BaCb溶液 25mLC燒杯中加入煮沸|D燒杯中加入 未煮沸的 Ba(NO)2 溶液 25mL沸了的BaCl2溶 液25mL加入與 溶液相同體積的 食用油，冷卻置 室溫；了的Ba(NO)2溶液25mL加入

4、與溶液相 同體積的食用油，冷 卻置室溫；在A、B、C、D四個(gè)燒杯試管中均放入pH傳感器，然后通入純的SO氣體。2.4 注意事項(xiàng)以上實(shí)驗(yàn)裝置是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)不斷改進(jìn)得到的， 針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)，有以下三點(diǎn) 需要特別注意：(1)隔絕氧氣為了使實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)單，我們采取氣封與液封相結(jié)合的方式。決定實(shí)驗(yàn)成敗的 關(guān)鍵因素之一就是是否完全隔絕氧氣10在實(shí)驗(yàn)中，但凡有少量的氧氣混入都會(huì) 影響pH曲線的變化，所以在實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行多次查漏操作，確保裝置密封效果好 之后再進(jìn)行后續(xù)工作。(2)通入SO的速率在以往的文獻(xiàn)中給出的制備SO的方法是將濃硫酸與固體亞硫酸鈉反應(yīng)1 , 我們發(fā)現(xiàn)用這種方法不易控制 SO氣體的產(chǎn)生速率，同時(shí)比

5、較浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)藥品，污 染也比較嚴(yán)重，故嘗試了多種方法解決這個(gè)問題：首先減小濃硫酸濃度，將濃硫酸與水以體積比1:5進(jìn)行稀釋，然后將制取二 氧化硫氣體的亞硫酸鈉固體進(jìn)行加熱溶解、 冷卻結(jié)晶，使之均勻的平鋪于錐形瓶 底部，避免亞硫酸鈉在制氣過(guò)程中發(fā)生板結(jié)而影響氣體產(chǎn)生的速率， 最后加一緩 沖瓶以達(dá)到雙重保險(xiǎn)的效果，這樣就能使通入溶液中的SO氣體的速率比較穩(wěn)定， 大約每秒一個(gè)氣泡。二氧化硫氣泡的產(chǎn)生速率直接影響著曲線的平滑程度。(3) pH傳感器pH傳感器是比較靈敏的數(shù)字化儀器，本實(shí)驗(yàn)將pH傳感器放入液封的待測(cè)溶 液時(shí)由于穿過(guò)油層，儀器表面會(huì)沾有食用油而讀數(shù)波動(dòng)較大， 需待讀數(shù)穩(wěn)定以后 方可開始實(shí)驗(yàn)測(cè)定

6、。3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與pH圖分析3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象A燒杯溶液依然澄清，無(wú)明顯現(xiàn)象；B燒杯中出現(xiàn)輕微渾濁；G D兩個(gè)燒杯 中均出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。初步結(jié)論：(1)在氯化鋼溶液中，有氧氣才可氧化亞硫酸根，產(chǎn)生硫酸鋼沉淀。(2)在硝酸鋼溶液中，有無(wú)氧氣參加都能產(chǎn)生硫酸鋼沉淀，但氧氣和硝酸根誰(shuí) 起了主要的氧化作用還需要進(jìn)一步分析。3.2 pH圖分析圖1 SO2通入氯化鋼溶液(無(wú)氧)中的 pH-t曲線圖3 SO2通入硝酸鋼溶液（無(wú)氧）中的 pH-t曲線圖4 SO2通入硝酸鋼溶液（有氧）中的pH-t曲線比較圖1與圖2可知，無(wú)氧參加的反應(yīng)中，pH曲線呈緩慢下降趨勢(shì)，說(shuō)明 沒有發(fā)生氧化反應(yīng)，僅有 SO溶解于氯化鋼溶液中的pH

7、變化。當(dāng)有氧氣參與反 應(yīng)時(shí)，pH曲線出現(xiàn)驟降，表明溶液中發(fā)生反應(yīng)生成了 H+,故有硫酸鋼沉淀生成。 氧氣是致使氯化鋼產(chǎn)生沉淀的因素。比較圖3與圖4可見，SO通入硝酸鋼中，pH曲線都出現(xiàn)了驟降，說(shuō)明氧氣 和硝酸根都可以氧化亞硫酸，導(dǎo)致硫酸鋼沉淀的生成。在有氧參加的反應(yīng)中pH的變化比無(wú)氧參加的大，說(shuō)明氧氣的影響是不可忽視的。進(jìn)一步比較圖2與圖4發(fā)現(xiàn)，兩幅圖的大致形狀很像，也就是說(shuō)，在有氧氣 存在的BaCb和Ba（NO）2溶液中通入SO時(shí)，溶液pH下降的趨勢(shì)和程度都非常接 近，換句話說(shuō)，是氧氣的氧化起了主要作用。圖5 SO2分別通入氯化鋼（有氧）、硝酸鋼溶液（有氧）中的 pH-t曲線兩條曲線基本上能

8、夠重合，SO氣體通入硝酸鋼溶液中pH變化比通入氯化鋼 中的略大一點(diǎn)點(diǎn)，這一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別的原因正是硝酸根的影響，如果硝酸根不起作用， 理論上兩條曲線將重合。另外，需要說(shuō)明的是，以上圖1至圖4中，相同溶液有氧和無(wú)氧情況下溶液 的起始pH值不同（圖1無(wú)氧氯化鋼溶液起始pH=5.03;圖2有氧氯化鋼溶液起始 pH=4.77;圖3無(wú)氧硝酸鋼溶液起始濃度 pH=5.06;圖4有氧硝酸鋼溶液起始 pH=5.29）, 一方面是由于pH傳感器本身的誤差所致，另一方面在加熱溶液去除 氧氣的同時(shí)，也會(huì)影響溶液本身的 pH值。4理論分析利用相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，我們做以下理論分析：HSO、Q、NQ在酸性溶液中的電極反應(yīng)和

9、標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)2分別為：SO2-+4l4+2e = H 2SO+I4O:(SO427H2SO)=+0.17O2+4H+4e = 2H 2O: (O 2/%0)=+1.229N+4hf+3e- = NO+2H2O: (NO3-/NO)=+0.96(1)氧氣將亞硫酸氧化成硫酸：2SO 2+2HO+(2+2Ba2+=2BaSO； +4H+E1 = : (O2/H2O)- : (SO427H2SO)=1.229-0.17=1.059V(2)硝酸根在酸性溶液中的將亞硫酸氧化成硫酸：3Ba 2+2NO+3SO+2HO=3BaSa +2NO+4HE2 = ： (NO3/NO)- : (SO42-/H2SO)=

10、0.96-0.17=0.79V可見，邛(O2/H2O)>中(NO3/NO),在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氧氣的氧化性大于硝酸根；Ei >E2 ,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氧氣更易將亞硫酸氧化成硫酸。但本實(shí)驗(yàn)不是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下進(jìn)行的，故需比較在該實(shí)驗(yàn)條件下硝酸鋼溶液中硝酸根與氧氣的電極電勢(shì)。該實(shí)當(dāng)中，pH=5.3、P(Q)=0.21 P、c(NO-)=0.2mol/L , 根據(jù)能斯特方程可算得：O 2：中(O2/H2O)=邛(O 2/H2O)+(0.0592/4) X log0.21 X H+ 4=0.905VNO 3-: 中(NQ-/NO)=平(NO3-/NO)+(0.0592/3) X logNO3-H+

11、4=0.528VKsp (BaSQ) =1.07 X10-10, c(Ba2+)=0.1mol/L ,剛開始反應(yīng)時(shí)，HSO濃度很 小，設(shè)為1X10-6mol/L,計(jì)算可以得出要生成沉淀，SO42-最小濃度是1.07 X 10-9mol/LSO42-H 4H 2SO:中(SO42/H2sO)=邛(SO427H2SO)+(0.0592/2) X log H2SO =-0.545VE1= : (O2/H2O)- : (SO42-/H2SO)=0.905-(-0.545)=1.450VE2= : (NO3-/NO)- : (SO2-/H2SO)=0.96-0.17=0.528-(-0.545)=1.073V 因此，在該實(shí)驗(yàn)條件下：也是 中（O2/H2OA中（NO-/NO）,氧氣的氧化性大于硝酸 根；Ei>E,氧氣更易將亞硫酸氧化成硫酸的。但熱力學(xué)數(shù)據(jù)只能告訴我們上述條件下氧氣和硝酸根誰(shuí)的氧化性更強(qiáng)，并不能說(shuō)明哪個(gè)氧化反應(yīng)速率更快，動(dòng)力學(xué)問題的解決往往要依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 本實(shí)驗(yàn) 所彳4 PH隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)說(shuō)明了在 SO與硝酸鋼溶液的反應(yīng)中，是氧氣起了主 要的氧化作用，硝酸根起了次要氧化作用。這一結(jié)論與上述條件下氧氣氧化性強(qiáng) 于硝