過氧化氫使溶液中指示劑褪色的實驗探究

過氧化氫使溶液中指示劑褪色的實驗探究

為了證明na2o2和水的反應(yīng)為nah，通常在反應(yīng)后溶液中添加幾個酚指示劑，以證明溶液變紅。但在實際操作中發(fā)現(xiàn),一段時間后,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)文獻得知,過氧化鈉與水反應(yīng)分兩步走:在中學課堂中,教師普遍盛行的解釋是,因為產(chǎn)生的H2O2具有強氧化性,因此有漂白性,可以使有色物質(zhì)褪色。有研究者認為產(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,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)過程中酚酞褪色的實質(zhì)是由生成的H2O2具有的氧化性決定的。也有研究者認為,溶液褪色的原因是受產(chǎn)物NaOH的濃度影響,與H2O2的氧化性無關(guān)。酚酞遇堿時,內(nèi)酯開環(huán)形成二鈉鹽,重排后形成醌式結(jié)構(gòu),由無色變?yōu)榧t色,但在濃度較大的堿溶液中,醌基不穩(wěn)定易形成無色的三鈉鹽。因此實驗中褪色的原因是產(chǎn)生濃度較大的NaOH。那么實驗的異?，F(xiàn)象是否與H2O2的氧化性相關(guān)?對于中學中盛行“因為H2O2有強氧化性,H2O2溶液可以漂白有色指示劑”的說法是否正確?筆者通過以下實驗對問題進行了探究。1s12氧化性研究H2O2溶液的氧化性隨濃度增大而增大,質(zhì)量分數(shù)為0.30的H2O2溶液有很強的氧化性,以此為研究對象,若其氧化性不足以氧化指示劑,則可以說明常用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)量分數(shù)為0.30的H2O2溶液中分別滴加等體積的不同類型指示劑,觀察在不同條件下(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實驗過程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)。(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對應(yīng)于指示劑的效果2.2.1對照實驗的方法分別取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察實驗中的顏色變化,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,觀察實驗現(xiàn)象。以此類推完成如下10次對照實驗。對照實驗條件及現(xiàn)象見表1和2。2.2.2第2組實驗通過表3所列實驗探究H2O2有無破壞酚酞分子結(jié)構(gòu)。2.3h2分解過程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℃開始劇烈分解,實驗中將溶液加熱至沸騰,因為指示劑已在加熱前加至溶液中,所以快速分解對實驗無影響。加入MnO2粉末也會使其分解。進行加熱操作及加入MnO2粉末是為了觀察H2O2分解時的實驗現(xiàn)象。H2O2不與空氣的主要成分發(fā)生反應(yīng),但會受到某些灰塵的影響而分解,為了防止空氣中的灰塵對H2O2產(chǎn)生影響,實驗中將試管塞上橡皮塞。光照下,H2O2會分解,因此實驗的操作及H2O2密閉放置都在陰涼處進行。3結(jié)果與討論3.1發(fā)色團和酚分子的氧化H2O2本身有弱酸性,發(fā)生電離:H2O2→HO2-+H+。與石蕊試液作用時,先發(fā)生顯酸色的反應(yīng)(圖1),因此溶液變紅色。H2O2漂白時,主要是通過阻止指示劑單個發(fā)色基團間的共軛,改變發(fā)色基團的化學結(jié)構(gòu),或通過消除助色基團與發(fā)色基團之間的結(jié)合等途徑來完成。H2O2能發(fā)生分解反應(yīng):2H2O2→2H2O+O2↑,其反應(yīng)機理為:當H2O2分解時,產(chǎn)生HO2-和自由基中間體HO及HO2,經(jīng)過單個發(fā)色基團間的共軛,能改變發(fā)色基團的化學結(jié)構(gòu)。石蕊分子的發(fā)色基團是,H2O2溶液加熱至沸騰或加入MnO2時,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)色基團破壞,因此發(fā)生褪色,實際上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,說明H2O2本身的氧化性不足以氧化發(fā)色團與甲基橙試液作用時,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明H2O2氧化性不足以使甲基橙分子氧化。當加熱至沸騰或加入MnO2粉末使H2O2分解時,溶液顏色仍保持不變,這是因為甲基橙的分子結(jié)構(gòu)的發(fā)色基團為-N=N-,助色基團是-SO3Na,雖然N與相鄰的苯環(huán)是共軛雙鍵,但其發(fā)色基團非共軛結(jié)構(gòu),H2O2漂白是對發(fā)色基團中共軛的破壞,HO2-和自由基未破壞其發(fā)色團。由第2組實驗可知,H2O2溶液與酚酞試液(圖3)作用一段時間后,酚酞試液遇堿仍能顯紅色,說明酚酞分子結(jié)構(gòu)未被破壞。在堿性溶液中,由電極電勢?θ(O2HO2-)=-0.076V,?θ(HO2-/H2O)=0.878V可知,H2O2在堿性環(huán)境中是中等強度的還原劑,因此,不能氧化酚酞分子。隨著時間的推移,顏色褪去是因為OH-促進了H2O2的電離,產(chǎn)生大量HO2-進一步促進H2O2分解,過程中HO2-和自由基中間體HO·及HO2·破壞了酚酞的發(fā)色基團含Na2CO3溶液的酚酞試液為堿性環(huán)境,促進了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有強氧化性,可以氧化-NH2,即破壞了助色基團。因此,在品紅中滴加H2O2溶液能褪色。加熱至沸騰使H2O2分解,過程中HO2-和自由基中間體HO·及HO2·破壞了品紅的發(fā)色基團加快褪色。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常見指示劑,因此濃度較低的H2O2溶液不能氧化它們,使它們褪色。“因為H2O2有強氧化性因此H2O2溶液可以漂白有色指示劑”,這樣的說法是不正確的。只有當指示劑的發(fā)色基團中含共軛雙鍵,且H2O2發(fā)生分解反應(yīng),指示劑才會褪色。對于教材中的異?，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),在分解過程中