关于NaClO2溶液脱硝反应方程式的解析及讨论

对于NaClO2溶液脱硝反应方程式的分析及讨论对于NaClO2溶液脱硝反应方程式的分析及讨论对于NaClO2溶液脱硝反应方程式的分析及讨论对于NaClO2溶液脱硝反应方程式的讨论2016年高考理综3卷27题中有一个采纳NaClO2溶液为汲取剂，对烟气中的SO2与NOx进行汲取，即“脱硫”与“脱硝”的实验。该实验内容其实不复杂。在鼓泡反应器中通入含有SO2与NO的烟气。反应温度为323K，NaClO2溶液的初步浓度为5×10-3mol·L-1。反应一段时间后，获得的实验结果，也就是所测得溶液中一些离子浓度数值以下：离子-1c/(molL·)

SO42-32-3-2--SONONOCl-46.87-6-4-5-38.35×10×101.5×101.2×103.4×10与这些数据有关的一个问题是，写出“NaClO2溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式”。这实质上但是一个，仅告诉学生ClO2-离子被复原的产物是Cl-，NO被氧化的产物为NO3-离子。从而要求他们写出该氧化复原反应的离子方程式，这样的问题。看似是一个没有什么难度的方程式。因为命题者的“马虎”，仍是给中学化学讲课造成了相当程度的纷乱。一、比较“合理”的一些答案在网上能够看到，为描绘这个反应，居然会有多个相互不一样样的方程式。1.“标准答案”。自然，这是命题者所给出的，是教师在解说时“首选”、也是最为“声威”的答案。它就是，3ClO2-+4NO+4OH-=4NO3-+3Cl-+2H2O（1）人们对其思疑的是，这是一个标准的碱性介质中的反应。是一个外加了大批“强碱”作为“反应物”后，才可能进行的反应。且该强碱的初步浓度，最少要比NaClO2溶液的浓度大。否则，反应后就没法保证该系统不呈“酸性”。而，命题者但是将反应条件描绘为，这是一个“NaClO2溶液”。在对其反应物中“能否有大批强碱存在”只字不提的状况下，你怎么能在反应物端，“无中生有”地写出这么多个“OH-离子”呢？这些OH-离子不可以能根源于ClO2-离子的“水解”。在这里，水解只好是使该溶液有略微的碱性，而不会为其复原反应供给任何OH-离子。不如假想一下，不停被“耗费”掉的ClO2-离子，怎么能为其自己的反应供给出“经过水解而获得的这么多的OH-离子”呢？皮之不存毛将焉附？该反应进行后的溶液必定显酸性在网上能够看到有的教师给出了，4NO＋3NaClO2＋2H2O=4HNO3＋3NaCl，这样的方程式。固然人们对此中的H+离子，为何都要与NO3-结合，不免有些疑虑。但由它改写出的，以下的离子方程式，仍是能够被人们所接受的。4NO+3ClO-+2H2O=4NO-+3Cl-+4H+（2）23这与该反应前溶液有极其略微的碱性，而反应后溶液有极强的酸性。这样的事实也完满符合。因为，HClO2是一个相当强的中强酸，其Ka约为1×10-2。其酸根ClO2-离子必定是一个极弱的碱（Kb=1×10-12）。不难计算出来，5×10-3·-molLNaClO2溶液的pH约为7.09。完满能够把该溶液，看做就是一此中性的系统。而依据式（2pan>）来计算，由“反应后生成的[Cl-]：[H+]=3:4=3.4×10-3：x”可知。反应后该溶液中的x=[H+]=4.5×10-3（mol·L-1）。也就是，该溶液的pH约为2.34。看来式（2），比式（1）要更能符合实验的结果。其实，看出反应（1）的反应物端不可以能有那么多OH-离子后。只需在式（1）的两头同时再加上4个H+离子，让反应物端的4个OH-离子与H+离子都联合成H2O分子。那样，也能够很简单地得出式（）。2考虑反应过程中弱酸的存在因为，ClO2-离子作为弱酸的酸根，它有较强的联合质子的能力。致使一些人以为，这个离子反应的过程应当显然地分为两步来进行。第一步，ClO2-离子成酸的过程，4NO+7ClO2-+2H2O=4NO3-+3Cl-+4HClO2（3）-+3Cl-第二步，HClO2分子作为氧化剂，4NO+3HClO2+2H2O=4NO3+7H+（4）因为“反应（3）×3+（4）×4”后可得式（5），式（5）的两头再同除以7后，就是式（2）X可见，即即是考虑了弱酸HClO2分子的生成过程，增添了一此中间的步骤。它也但是式（2）的一个没关紧迫的“细化”。对该反应机理的研究。很多学者对于这个反应的机理进行了研究。比较有说服力的见解是[1]：在碱性环境中，NaClO2脱除NO的反应分为3步。2NO+ClO2-→2NO2+Cl-（6）2NO2+2OH-→NO2-+NO3-+H2O-（7）2NO2-+ClO2-→NO3-+Cl--（8）这样，将“反应（6）×2+（7）×2+（8）”进行组合，最后获得的也是总反应，----3ClO2+4NO+4OH=4NO3+3Cl+2H2O（1）该作者以为，在酸性条件下ClO2-离子则会发生歧化，变成黄绿色的液体，并生成了实质上起氧化剂作用的ClO2。其详细生成ClO2的反应有，8H++8ClO2-→6ClO2+Cl2+4H2O-（9）2H++4ClO2-→2ClO2+ClO3-+Cl-+H2O-（10）2H++ClO2-+ClO3-→2ClO2+H2O-（11）而ClO2再去氧化NO的反应，则可表述为，-+5NO+2ClO2+H2O→5NO2+2Cl+2H（12）--+5NO2+ClO2+3H2O→5NO3+Cl+6H（13）5NO+3ClO2+4H2O→5NO3-+3Cl-+8H+（14）这6个方程式间的关系较为复杂，人们也不简单从中抓到核心的见解。教师应当能对其进行“解说”或“解读”。为此应当先看（9）至（11），这前一组的3个反应。此中的反应（9）解释了酸性介质条件下，该溶液有黄绿色的原由；反应（10）则说了然为何会出现“反应后汲取液中ClO3-离子浓度高升”，这样的现象。其实，此中真实生成ClO2的反应，应当用此中的（10）+（11），来构造。把这两个反应相加，获得的就是，在酸性条件下，ClO2-pan>离子歧化，而生成ClO2的以下反应（15）。4H++5ClO2-→4ClO2+Cl-+2H2O-（15）而接下来的，ClO2氧化NO的这后一组方程式（式（12）至（14））中，前两个是相互相连接的反应步骤。即，NO经过反应（12）先被ClO2氧化成NO2，此后NO2再经过反应（13）而被ClO2氧化成NO3-。反应（14）则是总反应，是“（12）+（13）”之和。分析完这两组反应后可知道，式（15）是前一组反应的代表，式（14）则反应了后一组反应的实质。那么，总反应就应当用式（15）与式（14）来构成。详细的方法是：最后获得的，依旧是前面就给出了的式（2）。可见，不论从什么角度来讨论这个反应过程。碱性介质中NaClO2溶液脱硝的变化，只好用反应（1）来描绘。而高考试卷中“没有强碱存在”下的NaClO2溶液脱硝过程，只好写为反应（2）。二、已知物质价态变化书写氧化复原反应方程式的基本方法其实，当已知氧化复原反应中物质价态变化状况后，假如依据正确的方法，来书写这种氧化复原反应的离子方程式。不论怎样也不会得出式（1），这样的结果。有必需就这个例子，把这种反应方程式的书写方法，再向大家介绍以下。第一步，据参加氧化复原过程物种中有价态变化的元素，经过原子的电子得失数、参加氧化反应的原子个数，从而确立出这些物种的系数（即其在方程式中的化学计量数）。对于“NaClO2溶液的脱硝过程”中“NO→NO3-”及“ClO2-→Cl-”，得失电子数分别为3与4，这样的两个变化。考虑到得失电子数应当相等，可确立出参加反应的N与Cl的原子数比为“4:3，”再将原子数变换成物种的化学计量数。用双箭桥法，能够把这个思虑过程分析为以下的图一。这样，参加电子得失的原子数、及参加氧化复原反应物质的化学计量数，就都已经被确立，也就是都配平，不该当再改动了。第二步，配昭雪应前后的O原子数。这要用到以以下列图二所示的，一个重要的物种间的关系。这是一个用化学式表示的，从左到右，H原子数素来不变（素来是2），而原子数挨次递加的序列。中间有一条虚线，把整个平面切割成两个地区。左边的酸性介质区（简称酸区）及右边的碱性介质区（简称碱区）。这表示，该序列是由两个可逆变化过程，来构成的。即，酸区的+H2O”及碱区的“H2O2OH-”。“2H其使用方法是，当氧化复原反应的反应物端多了n个O原子（较产物端）时，就要考虑使用这个序列变化的正过程（向右变化）去联合掉O原子。是酸性反应介质的，则在原反应中加上+H2O”过程。假如n个左边的“2H是碱性介质中，则在原反应中加上n个右边的“H2-”过程。O2OH当氧化复原反应产物端多了n个O原子（较反应物端）时，就要考虑这个序列变化的逆过程（向左变化）。是碱性介质的，则在原反应中加上n个-n个“2OHH2O”过程。假如是在酸性介质中，则在原反应中加上“H2O2H+”过程。-→4NO3up>-+3Cl-”中的O原如，检查上图一所示的变化过程“4NO+3ClO2子数。反应物端有10个O原子，而产物端有12个O原子（比反应物端多了2个）。那就要用图二的逆过程来解决问题（向左的箭号）。因为原反应物中没有“碱”，不可以够以为这个系统是碱性介质。图中向左箭号的前一部分不可以够用。因此只好用节余的，也就是再加上两个“H2O2H+”过程。这样就获得了“4NO+3ClO2-+2H2→3-+3Cl-+4H+”，也就是前面的O4NO式（2）。在熟习并理解了图二的基础上，自然还能够够从一个其他的角度，来对待和讨论这种问题。也就是换一个说法，从所加过程的“合用条件”来考虑。能够说：+2+过程“2H“H”被加在O原子数多的一端HO”永久被用在酸性介质中。且（H2自然是加在另一端）。O--过程“H2O2OH”永久被用在碱性介质中。且“OH”被加在O原子数少的一端（H2O自然是加在另一端）。由此还能够够引申出一个“特例”。那就是，当反应物端没有酸或碱类的物质时，假如两头的O原子数还不等。那么，就要先增添上“H2”为反应物。当O+O原子数多反应物端的O原子数少时，在产物端加“H”；当反应物端的时，在产物端加“OH-”。用这个方法来书写该考题中的这个方程式，那就更加简单了。因为，在“4NO+3ClO2-→4NO3-+3Cl-”的反应物端既没有“酸”、也没有“碱”这两类“化学物质”，那反应物端就只好先加上“H2O”。还因为原反应物端的O原子数+少，因此在产物端要加“H”。这样，很简单就得出了式（2）。三、对氧化复原反应进行的“酸性条件”及“碱性条件”理解在化学讲课中，教师之因此要重申这两个见解，是因为它们与物质的氧化复原能力大小比较有关，与化学反应标准电动势值的判断或计算有关。因为在酸碱性不一样样的系统中，同一个电极反应的φ°，可能会出现截然相反的数值。如，在酸性介质中，HClO2+3H++4e-=Cl-+2H2O、φ°=1.56V，而在碱性介质中，ClO2-+2H2O+4e-=Cl-+4OH-，φ°=0.76V。划分不出这两个见解，就会直接影响到φ°数值的正确查找。因为在很多《化学手册》中，这种数据是分为“在酸性溶液中”（简称酸表）及“在碱性溶液中”这样的两类，并用两张表来给出的。有的数据只幸好“酸表”中找到，而有的数据只出此刻“酸表”中。制表的原则是，电极反应中有H+离子的，纳入酸表；而电极反应中有OH-离子的，则纳入碱表。既没有H+离子，也没有OH-离子-的电极反应，也纳入酸表。这样“Cl2-=2Cl-、φ°=1.36V，”就只会出此刻酸表中。+2e因为，某元素的同一价态变化，在“酸表”与“碱表”中的数值不一样样。这不只会造成反应完满程度的不一样样，甚至于会影响到反应进行的方向。因此，教师在进行这一部分内容的讲课时，多要再三地叮嘱学生。查找某电极反应的φ°时，必定要注意数据的“出处”，也就是它根源于什么“表”。至于在实验操作或化学方程式书写中，要怎样考虑“介质的酸、碱性”问题。则几乎没有被哪本化学教材波及过。这也可能就是该命题者以为，作为强碱弱酸盐的NaClO2，其溶液呈碱性。那么，就要按“在碱性溶液中”来书写该方程式，的“充要”原由吧。其实，这是对该见解的一种错误理解。对于氧化复原反应与溶液酸碱性的关系，应当从以下两个方面来理解。一是，“溶液酸碱性”但是一个反应的外面条件。也就是它既不是反应物、也不是反应产物，但是一个特定、且基本能保持不变的pH值。H+离子或OH-离子，也不会出此刻化学方程式中。考虑它，但是为了防备副反应的发生而已。如，用Cl2水来氧化Fe2+离子的实验，要保持在较强的酸性条件下来进行。那是为了防备，因产物Fe3+离子水解而造成的，“溶液中出现污浊或积淀”的现象。在其方程式“Cl22+=2Cl-+2Fe3+”中，也不会有H+离子的地点。+2Fe另一方面则是，H+离子或OH-离子参加到了该氧化复原反应之中。好像酸性条件下的“2MnO4-+5SO32-+6H+=2Mn2++5SO42-+3H2O”，及碱性条件下的“2MnO4-+SO32-+2OH-=2MnO42-+SO42-2”，这样的反应。+HO因为有大批的H+离子及OH-离子、作为反应物要被耗费掉，同时还要考虑产物的存在条件。其酸与碱的初步浓度都应当相当大，也就是要显然的过量。在无机化学教材中对这两个反应的要求是，在两支各盛有1ml0.