一道实验设计题的研究性学习

一、   问题的提出

   例：（1994年全国高考化学试题第29题）现有一定量含有Na2O杂质的Na2O2试样，请从下图中选用适当的装置，设计一个最简单的实验，测定Na2O2的试样的纯度（可供选择的反应物只有：CaCO3固体、6mol/L的盐酸和蒸馏水）可供选择的实验装置图如下：

考虑到本题所依据的化学知识简单，但很重要，实验设计和操作也较易，又能够全面的锻炼学生的能力，在高三实验设计的复习课中，我们把它选为典型例题。根据Na2O和Na2O2与水反应的原理可知，只要测得氧气的体积，就可求得Na2O2的质量分数。所以学生很快就完成了实验设计：选择反应装置⑤和量气装置①、④即可。我们和几个学生一起用刚启封的纯度为92.5％的Na2O2（红三角牌 天津大沽化工厂制造）进行实验，实验结果如下表(下列所有表中测得O2的体积均已换算成标况)

实验序号      1         2         3     平均值

样品的质量(g)      3.5       3.5       3.5     3.5

测得O2的体积(ml)    238       235       239     237

理论计算得O2体积(ml)   465       465       465      465

二、分析与假设

从上表中数据可知，实验值只有理论计算值的一半左右，误差很大。分析产生的误差只有三种可能：第一、实验操作误差。第二、样品本身不符合质量标准，Na2O2的含量达不到92.5％。第三、实验方案本身的问题。以上实验操作符合定量实验操作的要求，不足以产生如此大的误差,故第一种情况可以排除。如果是实验方案本身的问题，那么问题到底出在哪里？难道Na2O2与H2O反应不是想象的那么简单？会不会有中间产物？用什么方法可以改进？另外还有其它方法可以测定吗？带着这些问题，我们查阅了有关资料，找到了以下的理论依据：1、碱金属的过氧化物与H2O反应的实质：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2  2、H2O2是二元弱酸，极纯时相当稳定，90％以上的H2O2在323K时每小时只有0.001％分解。3、H2O2的分解也就是它的岐化反应：2H2O2=2H2O+O2  4、H2O2在碱性介质中分解远比在酸性介质中快，当溶液中含有微量杂质或一些重金属离子如：Fe2+、 Mn2+ 、Cu2+、 Cr3+时都能加快H2O2的分解。波长320nm到380nm的光也能使H2O2的分解速率加快。5、H2O2具有强氧化性，可使某些有色物质褪色。

　　根据以上的分析我们可以得出，Na2O2与水反应是先生成中间产物H2O2，由于H2O2的相对稳定性，从而引起实验误差。如果是这样，那么根据H2O2的性质，只须在反应后的混合液中加入MnO2看是否有气泡产生，或加入酚酞是否褪色，就可判断H2O2的存在。同样，如果是由于H2O2的存在而影响实验结果的话，只要改变条件，使H2O2尽可能完全分解，就可以较准确的测定O2的体积，求得较准确的 Na2O2的质量分数。另外，根据Na2O2和Na2O与H2O反应的原理可知，如果称取一定质量的样品，能测得NaOH的物质的量，也能求得Na2O2的质量分数。怎样才能测得NaOH的物质的量呢？用中和滴定法。如果两种方法测得的结果基本一至，那么，就是样品本身的问题了。

二、             实验探讨

根据以上假定我们设计了以下的实验方案：

[实验一]： 取适量的Na2O2与H2O反应至不再有气泡产生时，再把溶液等分成几份，间隔不同的时间后加入MnO2，看是否有气泡产生，并用带火星的木条检验产生的气体。实验结果如下：

时间   0分   30分   1小时  12小时    24小时   48小时  60小时

现象       均产生大量的气泡，能使带火星的木条复燃。

    由此我们得出结论：Na2O2与水反应的中间产物H2O2可以在相当长一段时间内稳定存在，且它的量足以产生实验误差。

[实验二]：迅速称取3.5克含92.5％Na2O2的样品两份，分别放入两支大试管中，用分液漏斗加入水，等液面不变后，测定气体的体积。再分别加入适量的MnO2和极浓的CuSO4溶液，等液面再次不变后，读数。

实验结果如下表：

试剂              H2O         MnO2      CuSO4

O2的体积(ml)       237          382        405

求得Na2O2的质量分数  47.2％        76.1％        80.6％ 

[实验三]：准确称取1.5克样品，加入适量的水和MnO2，加热使其充分反应。冷却，加水稀释，用酚酞作指示剂，用2mol/L的HCl作标准液，进行中和滴定。重复以上操作三次，求平均值。

              1          2         3        平均值

消耗HCl 的体积(ml)   19.80      19.58      19.71      19.70

由消耗HCl可求得Na2O2的质量分数约为90％

比较分析实验二和实验三所得的结果，我们不难发现，用中和滴定法与用测O2 体积法得到的Na2O2的质量分数，还是有一定的差距。这到底是为什么呢？联想到在用中和滴定法测量时遇到的一个难题：在往Na2O2与水反应且加入MnO2到不再有气泡产生的溶液中加酚酞时，发现酚酞变红后又褪色，只有加热使其充分反应，再用水稀释，然后加入适量的酚酞才能保持红色不变。是否加入催化剂后H2O2还不能分解完全？为了解决这个问题，我们设计了以下实验：

[实验四]在四支试管中分别加入适量的Na2O2，再加入H2O、MnO2，振荡至不再有气泡产生，间隔不同的时间后加入酚酞。

实验结果如下：

时间  立即加入 1小时后加入 24小时后加入 48小时后加入  加热后加入

现象  变红后褪色   变红后褪色   变红后褪色    变红后褪色   变红 

三、             结论与启示

结论：由以上理论推断和实验检验可知，在含有Na2O杂质的Na2O2中，要测定Na2O2的质量分数，最好的方法是用中和滴定法。

启示：化学是一门以实验为基础的自然科学，某些从理论上看近乎完美的实验设计，在实验操作中可能与设想的实验的结果相差甚远。在化学教学中我们要努力为学生创造动手实验的机会，鼓励学生敢于动手操作，勇于发现问题，提出问题。只有这样，才有助于学生形成辩证唯物主义世界观，有助于培养学生严谨的科学态度和勇于探索、勇于实践的创新精神。

参考文献

[1]    N.N格林伍德．元素化学．(上册)．北京：高等教育出版社．1997：137

[2]    北京师范大学等编．无机化学（上册)．第二版，北京：高等教育出版社，1986：437