濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)臨界濃度的研究

1、濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)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(dǎo)教師 謝小瑩 曾錦平【摘要】本文運(yùn)用氧化還原反應(yīng)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(yīng)的進(jìn)程的影響，揭示了稀鹽酸與二氧化錳不能反應(yīng)的原因。通過對不同實(shí)驗(yàn)方案的探討，選擇了通過測定反應(yīng)生成Cl2，來計(jì)算反應(yīng)停止時(shí)剩余溶液中HCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)方案來進(jìn)行測量，并通過實(shí)驗(yàn)，粗略測算出濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)的臨界濃度約為21.85%。【關(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(xué)的學(xué)習(xí)中知道，實(shí)驗(yàn)室制氯氣中的其中一種方法是：濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)制氯氣。在課堂上老師強(qiáng)

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(yīng)的臨界濃度（指濃鹽酸與二氧化錳由反應(yīng)到不反應(yīng)時(shí)濃鹽酸的濃度）究竟要達(dá)到多少呢？濃鹽酸的濃度，反應(yīng)中的溫度，鹽酸被氧化的程度與反應(yīng)有什么關(guān)系呢？對此我們進(jìn)行了研究。【研究目的】通過研究，測算出濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)鹽酸的臨界濃度，為實(shí)驗(yàn)室制取氯氣時(shí)鹽酸的用量和濃度的選擇提供參考?！狙芯窟^程】1、查閱各種高中化學(xué)參考書和大學(xué)無機(jī)化學(xué)，尋找理論依據(jù)；2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定；3、對測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、分析，得出結(jié)論?！狙芯拷Y(jié)果】一、理論分析：實(shí)驗(yàn)室制取氯氣的其中一個(gè)方法用二氧化錳與濃鹽酸共熱制取氯氣，其反應(yīng)方程式為：4HCl (濃)

3、+ MnO2 2H2O + Cl2+ MnCl2 ，屬于氧化還原反應(yīng)。查閱大學(xué)無機(jī)化學(xué)，我們知道，氧化還原反應(yīng)發(fā)生的方向：強(qiáng)氧化型1 + 強(qiáng)還原型2 = 弱還原型1 + 弱氧化型2將氧化還原反應(yīng)看作原電池反應(yīng)，并將電池反應(yīng)分解為兩個(gè)電極反應(yīng)，反應(yīng)物中還原劑的電對作負(fù)極，反應(yīng)物中氧化劑的電對作正極。當(dāng)負(fù)極的電勢（）更負(fù)，正極的電勢更正，電子就可以自動地由負(fù)極流向正極。或者說，電流能自動的由正極流向負(fù)極。負(fù)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(yīng)就能自動向右進(jìn)行。根據(jù)這一理論，我們將鹽酸與二氧化錳的反應(yīng)拆成兩個(gè)半反應(yīng)，并從無機(jī)化學(xué)中查出他們的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、

4、離子濃度為1 mol/L時(shí)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(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)地向右進(jìn)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?，由此我們不難看出，增大溶液中H+的濃度，可以增強(qiáng)MnO2Mn2電對的氧化性，從而使原本不能向右自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)自發(fā)向右進(jìn)行。我們試圖通過理論計(jì)算，從上述表達(dá)式求出當(dāng)E0時(shí)，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(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行測算。 二、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方案一：實(shí)驗(yàn)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(yīng)），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(shí)會浪費(fèi)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(dá)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(jìn)）實(shí)驗(yàn)依據(jù)：濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)過程中，濃鹽酸的濃度不斷降低，當(dāng)鹽酸濃度降至臨界濃度時(shí)，反應(yīng)停止。根據(jù)反應(yīng)生成氯氣

6、的體積，可求出參加了反應(yīng)的HCl的質(zhì)量。用反應(yīng)前HCl的總質(zhì)量減去參加反應(yīng)HCl的質(zhì)量，算出剩余HCl的質(zhì)量，再求出反應(yīng)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(diǎn)是器材少，操作簡單，但計(jì)算較為復(fù)雜。 分析上述兩種方案，我們不難看出：方案二的可操作性強(qiáng)，因此我們決定按方案二來進(jìn)行測定。 （一）實(shí)驗(yàn)過程： 1、儀器：鐵架臺、鐵圈、鐵夾、酒精燈、大試管、導(dǎo)管若干支、單孔塞、廣口瓶、大燒杯2個(gè)、溫度計(jì)、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(shí)驗(yàn)過程：將裝置按改進(jìn)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(yīng)。往燒杯中注入大半杯熱水（約80）。當(dāng)水溫下降時(shí)點(diǎn)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(yīng)完全進(jìn)行完畢。待到全裝置恢復(fù)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(dá)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(gè)方案我們進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過篩選得出三次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來作為計(jì)算的數(shù)據(jù)。三次的實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)如下

8、表第一次實(shí)驗(yàn)第二次實(shí)驗(yàn)第三次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為21（294K），壓強(qiáng)為常壓（假定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。所用濃鹽酸濃度為36，密度是1.18 g/cm3。（二）計(jì)算：由查理蓋呂薩克定律可知，在氣體物質(zhì)的量和壓強(qiáng)一定時(shí)，有，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，得V0(Cl2)172.4 mL，V0(Cl2)273.4 mL，V0(Cl2)375.2 mL。由化學(xué)方程式4HCl (濃) + MnO2

9、 = 2H2O + Cl2+ MnCl2 可得： 所以，反應(yīng)停止時(shí)溶液中鹽酸的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?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(biāo)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(yīng)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(shí)際我們用到的鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)未必是瓶中標(biāo)示的36%，可能會更低。2、實(shí)驗(yàn)過程需要加熱，因此在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(tuán)結(jié)協(xié)作，共同努力的精神。經(jīng)歷了長達(dá)半年多的課題研究歷程。我們從中學(xué)習(xí)了許多課本上所學(xué)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(dú)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(dǎo)老師，直到解決問題為止。 在多次的實(shí)驗(yàn)中，由于我們的操作經(jīng)驗(yàn)有限，有時(shí)會造成疏忽，我們都能冷靜地處理好。從而增強(qiáng)了我們的自我應(yīng)變能力。 同時(shí)，通過本次的研究中學(xué)會了進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的途徑和科學(xué)研究中嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，知難而進(jìn)的精神。 最后，希望我們的研究能夠?qū)ν瑢W(xué)們學(xué)好高中化學(xué)有所幫助，對實(shí)驗(yàn)室制取氯氣時(shí)鹽酸的用量和濃度選擇提供參考?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1、人民教育出版社化學(xué)室編著全日制普通高級中學(xué)教科書（必修）·化學(xué)·第一冊北京：人民教育出版社，20036， 第一版2、北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室等編無機(jī)化學(xué)·上冊（第三版）北京：高等教育出版社，19925【指導(dǎo)教師評析】本課題對學(xué)生而言是有相當(dāng)難度的。因?yàn)樵摲磻?yīng)雖然是高一所學(xué)的內(nèi)容，但深入探討需要用到大學(xué)化學(xué)的有關(guān)知識，并且反應(yīng)產(chǎn)生的氯氣是有毒氣體。然而該課題組的同學(xué)毫不畏懼，在老師的指導(dǎo)下