過(guò)氧化氫使溶液中指示劑褪色的實(shí)驗(yàn)探究

過(guò)氧化氫使溶液中指示劑褪色的實(shí)驗(yàn)探究

為了證明na2o2和水的反應(yīng)為nah，通常在反應(yīng)后溶液中添加幾個(gè)酚指示劑，以證明溶液變紅。但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn),一段時(shí)間后,紅色又褪去。究竟是何原因造成這種異?，F(xiàn)象呢?筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知,過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)分兩步走:在中學(xué)課堂中,教師普遍盛行的解釋是,因?yàn)楫a(chǎn)生的H2O2具有強(qiáng)氧化性,因此有漂白性,可以使有色物質(zhì)褪色。有研究者認(rèn)為產(chǎn)生的H2O2氧化性和溶液的酸堿性相關(guān),只有在堿性較強(qiáng)的條件下才具有漂白性,使酚酞的醌式結(jié)構(gòu)被氧化而褪色,堿性較弱時(shí),漂白性較弱,不能氧化酚酞的醌式結(jié)構(gòu),所以Na2O2與水反應(yīng)過(guò)程中酚酞褪色的實(shí)質(zhì)是由生成的H2O2具有的氧化性決定的。也有研究者認(rèn)為,溶液褪色的原因是受產(chǎn)物NaOH的濃度影響,與H2O2的氧化性無(wú)關(guān)。酚酞遇堿時(shí),內(nèi)酯開(kāi)環(huán)形成二鈉鹽,重排后形成醌式結(jié)構(gòu),由無(wú)色變?yōu)榧t色,但在濃度較大的堿溶液中,醌基不穩(wěn)定易形成無(wú)色的三鈉鹽。因此實(shí)驗(yàn)中褪色的原因是產(chǎn)生濃度較大的NaOH。那么實(shí)驗(yàn)的異?，F(xiàn)象是否與H2O2的氧化性相關(guān)?對(duì)于中學(xué)中盛行“因?yàn)镠2O2有強(qiáng)氧化性,H2O2溶液可以漂白有色指示劑”的說(shuō)法是否正確?筆者通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了探究。1s12氧化性研究H2O2溶液的氧化性隨濃度增大而增大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30的H2O2溶液有很強(qiáng)的氧化性,以此為研究對(duì)象,若其氧化性不足以氧化指示劑,則可以說(shuō)明常用H2O2溶液不能氧化指示劑。反之,則再探究其他濃度的H2O2溶液能否氧化指示劑。在一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30的H2O2溶液中分別滴加等體積的不同類(lèi)型指示劑,觀(guān)察在不同條件下(條件1:加熱;條件2:密閉放置陰涼處一段時(shí)間;條件3:混合液中加入MnO2粉末;條件4:改變pH)指示劑的變色情況。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1試劑與溶液配置溶液(1)儀器:試管(10mm×100mm)12支、試管架、試管夾、酒精燈、火柴、橡膠塞(12個(gè))。(2)藥品:H2O2溶液(0.30,分析純)、酚酞粉末(分析純)、甲基橙粉末(分析純)、石蕊粉末(分析純)、品紅粉末(分析純)、NaOH固體(分析純)、Na2CO3固體(分析純)。配置溶液:酚酞試液(1g/L,溶劑:60%乙醇)、甲基橙試液(1g/L,溶劑:水)、石蕊試液(0.5g/L,溶劑:水)、品紅試液(0.5g/L,溶劑:水)、NaOH溶液(5%,0.1%)、飽和Na2CO3溶液。(3)條件:室溫(25℃)、H2O2溶液的pH為3。2.2比較表明422對(duì)應(yīng)于指示劑的效果2.2.1對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方法分別取2mLH2O2溶液于2支試管中,分別向試管中加入1～3滴指示劑(指示劑濃度稀更有利于清晰觀(guān)察實(shí)驗(yàn)中的顏色變化,因此操作中滴加1滴指示劑),將其中一混合液分成兩份,塞上橡皮塞,一份用酒精燈加熱至沸騰,另一份放置一段時(shí)間。在另一支裝有H2O2溶液的試管中加入0.2gMnO2粉末,塞上橡皮塞,觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以此類(lèi)推完成如下10次對(duì)照實(shí)驗(yàn)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)條件及現(xiàn)象見(jiàn)表1和2。2.2.2第2組實(shí)驗(yàn)通過(guò)表3所列實(shí)驗(yàn)探究H2O2有無(wú)破壞酚酞分子結(jié)構(gòu)。2.3h2分解過(guò)程H2O2是一種不穩(wěn)定的試劑,其穩(wěn)定性受溫度、pH、光、金屬、雜質(zhì)等影響。為使H2O2溶液可以穩(wěn)定保存,市售H2O2溶液中添加一定的硫酸作穩(wěn)定劑,因此溶液的pH為3。H2O2溶液加熱到100℃開(kāi)始劇烈分解,實(shí)驗(yàn)中將溶液加熱至沸騰,因?yàn)橹甘緞┮言诩訜崆凹又寥芤褐?所以快速分解對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響。加入MnO2粉末也會(huì)使其分解。進(jìn)行加熱操作及加入MnO2粉末是為了觀(guān)察H2O2分解時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。H2O2不與空氣的主要成分發(fā)生反應(yīng),但會(huì)受到某些灰塵的影響而分解,為了防止空氣中的灰塵對(duì)H2O2產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)中將試管塞上橡皮塞。光照下,H2O2會(huì)分解,因此實(shí)驗(yàn)的操作及H2O2密閉放置都在陰涼處進(jìn)行。3結(jié)果與討論3.1發(fā)色團(tuán)和酚分子的氧化H2O2本身有弱酸性,發(fā)生電離:H2O2→HO2-+H+。與石蕊試液作用時(shí),先發(fā)生顯酸色的反應(yīng)(圖1),因此溶液變紅色。H2O2漂白時(shí),主要是通過(guò)阻止指示劑單個(gè)發(fā)色基團(tuán)間的共軛,改變發(fā)色基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu),或通過(guò)消除助色基團(tuán)與發(fā)色基團(tuán)之間的結(jié)合等途徑來(lái)完成。H2O2能發(fā)生分解反應(yīng):2H2O2→2H2O+O2↑,其反應(yīng)機(jī)理為:當(dāng)H2O2分解時(shí),產(chǎn)生HO2-和自由基中間體HO及HO2,經(jīng)過(guò)單個(gè)發(fā)色基團(tuán)間的共軛,能改變發(fā)色基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。石蕊分子的發(fā)色基團(tuán)是,H2O2溶液加熱至沸騰或加入MnO2時(shí),發(fā)生分解反應(yīng),產(chǎn)生的HO2-和自由基將石蕊分子的醌式發(fā)色基團(tuán)破壞,因此發(fā)生褪色,實(shí)際上H2O2使石蕊試液褪色也就是破壞醌式結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。滴加石蕊試液的H2O2溶液在24h后仍為紅色,說(shuō)明H2O2本身的氧化性不足以氧化發(fā)色團(tuán)與甲基橙試液作用時(shí),H2O2溶液先和甲基橙試液(圖2)發(fā)生酸色反應(yīng),顯紅色。放置24h后顏色仍保持紅色說(shuō)明H2O2氧化性不足以使甲基橙分子氧化。當(dāng)加熱至沸騰或加入MnO2粉末使H2O2分解時(shí),溶液顏色仍保持不變,這是因?yàn)榧谆鹊姆肿咏Y(jié)構(gòu)的發(fā)色基團(tuán)為-N=N-,助色基團(tuán)是-SO3Na,雖然N與相鄰的苯環(huán)是共軛雙鍵,但其發(fā)色基團(tuán)非共軛結(jié)構(gòu),H2O2漂白是對(duì)發(fā)色基團(tuán)中共軛的破壞,HO2-和自由基未破壞其發(fā)色團(tuán)。由第2組實(shí)驗(yàn)可知,H2O2溶液與酚酞試液(圖3)作用一段時(shí)間后,酚酞試液遇堿仍能顯紅色,說(shuō)明酚酞分子結(jié)構(gòu)未被破壞。在堿性溶液中,由電極電勢(shì)?θ(O2HO2-)=-0.076V,?θ(HO2-/H2O)=0.878V可知,H2O2在堿性環(huán)境中是中等強(qiáng)度的還原劑,因此,不能氧化酚酞分子。隨著時(shí)間的推移,顏色褪去是因?yàn)镺H-促進(jìn)了H2O2的電離,產(chǎn)生大量HO2-進(jìn)一步促進(jìn)H2O2分解,過(guò)程中HO2-和自由基中間體HO·及HO2·破壞了酚酞的發(fā)色基團(tuán)含Na2CO3溶液的酚酞試液為堿性環(huán)境,促進(jìn)了H2O2的分解,同理可以使之褪色。3.2氧化-nh2h2品紅分子(如圖4所示)中的雙鍵及-NH2極易被氧化劑破壞。在酸性或中性溶液中,由?θ(H2O2H2O)=1.776V得,H2O2有強(qiáng)氧化性,可以氧化-NH2,即破壞了助色基團(tuán)。因此,在品紅中滴加H2O2溶液能褪色。加熱至沸騰使H2O2分解,過(guò)程中HO2-和自由基中間體HO·及HO2·破壞了品紅的發(fā)色基團(tuán)加快褪色。4存在于發(fā)色圖等為因子的異?，F(xiàn)象30%H2O2溶液的氧化性不足以氧化某些中學(xué)常見(jiàn)指示劑,因此濃度較低的H2O2溶液不能氧化它們,使它們褪色?！耙?yàn)镠2O2有強(qiáng)氧化性因此H2O2溶液可以漂白有色指示劑”,這樣的說(shuō)法是不正確的。只有當(dāng)指示劑的發(fā)色基團(tuán)中含共軛雙鍵,且H2O2發(fā)生分解反應(yīng),指示劑才會(huì)褪色。對(duì)于教材中的異?，F(xiàn)象可以解釋為,酚酞褪色的本質(zhì)不是H2O2的氧化性將其氧化。褪色可能是NaOH本身濃度對(duì)指示劑的影響,也可能是在NaOH的催化下,H2O2發(fā)生分解反應(yīng),在分解過(guò)程中