CO能否使KMnO4溶液褪色的實(shí)驗(yàn)探究

徐美玲+任引哲

摘要：針對(duì)CO能否使KMnO4溶液褪色存在爭議進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液或其酸性溶液褪色的結(jié)論，并作了一定的理論解析。

關(guān)鍵詞：CO與KMnO4溶液；實(shí)驗(yàn)探究；化學(xué)教學(xué)研討

文章編號(hào)：1005–6629（2014）4–0053–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題[1]和2013年全國統(tǒng)一高考理綜（江蘇卷）16題[2]均屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，其中都涉及到CO能否使KMnO4溶液褪色這一知識(shí)點(diǎn)，但兩者的觀點(diǎn)出現(xiàn)了分歧，前者認(rèn)為能使溶液褪色或顏色變淺，后者則利用了CO不能與KMnO4溶液發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)，使用KMnO4溶液除去CO氣體中混有的雜質(zhì)。這兩種完全不同的觀點(diǎn)給很多教師及學(xué)生造成了困擾。由于CO毒性較大，又為氣體，使用不方便，所以實(shí)驗(yàn)室一般不進(jìn)行有關(guān)CO性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，這也是這一困惑一直未解決的原因之一?；浗贪婢拍昙?jí)化學(xué)課本第十章第三節(jié)（301頁）實(shí)驗(yàn)，證明吸煙時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO，其方法是：將煙氣通過盛稀高錳酸鉀溶液的試管。教材解釋是：高錳酸鉀溶液褪色，表明煙氣里含有一氧化碳。就目前情況看，這一實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癞a(chǎn)生預(yù)期的效果還有待我們驗(yàn)證。發(fā)表在《化學(xué)教學(xué)》2009年12期的“對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析”[3]一文也就此癥結(jié)做出了一定的分析，本文在此基礎(chǔ)上從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面對(duì)該問題進(jìn)行了探究與分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了澄清此問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

CO，99.99%，青島愛若氣體化工有限責(zé)任公司；KMnO4，分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠；濃硫酸，分析純，太原化肥廠化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，依次為盛有CO的鋼瓶（提供實(shí)驗(yàn)所用的氣體）；緩沖瓶（防倒吸）；盛放溶液的試管。實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過觀察試管中導(dǎo)管口氣泡來調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

如圖1所示，在一個(gè)20 mL的試管中加入5 mL 0.01 mol·L-1的KMnO4溶液，調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度約1個(gè)氣泡/秒，室溫下，通氣10min后，肉眼未觀察到KMnO4溶液顏色有任何變化；放置5h，甚至更長的時(shí)間，溶液顏色也無變化。隨后在KMnO4溶液中滴入5滴2 mol·L-1的H2SO4將溶液酸化，同樣未見溶液顏色有變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在室溫常壓下，CO與KMnO4溶液不發(fā)生明顯反應(yīng)，即使酸性介質(zhì)中該反應(yīng)也沒有明顯進(jìn)行。

2 理論解析

CO中含有穩(wěn)定的碳氧三鍵，電子式為：C……O：，其形成過程為：碳的最外層有四個(gè)電子，氧的最外層有6個(gè)電子，成鍵時(shí)碳的兩個(gè)單電子進(jìn)入到氧的p軌道和氧的兩個(gè)單電子配對(duì)成鍵，形成兩個(gè)共價(jià)鍵，然后氧的孤電子對(duì)進(jìn)入到碳的空的p軌道中形成一個(gè)配鍵，這樣氧和碳之間就形成了三個(gè)鍵[4]。三鍵使得CO的鍵能極大，一般條件下活化較困難，表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)惰性。

通常情況下，我們認(rèn)為CO具有強(qiáng)的還原性，但忽略了它的反應(yīng)條件。實(shí)際上，CO在高溫干態(tài)條件下才表現(xiàn)出很強(qiáng)的還原性。比如高溫下它能還原氧化鐵、氧化銅等金屬氧化物用于金屬的冶煉。眾所周知，KMnO4溶液具有強(qiáng)的氧化性，其酸性溶液的氧化性更強(qiáng)。而本文提到的兩道題中，都是CO在KMnO4溶液中的反應(yīng)，本身CO在水中的溶解度就很小，一通入溶液中很快就逸出，這就使得它很難與KMnO4溶液接觸繼而發(fā)生反應(yīng)，即使反應(yīng)也不會(huì)充分。要發(fā)生反應(yīng)，必須加壓使得CO在溶液中的濃度增大。但加壓增加了實(shí)驗(yàn)的難度，更主要是加壓對(duì)CO溶解度的增加效果很有限。

雖然從熱力學(xué)角度看，CO被氧化為CO2的Φθ=-0.106V，MnO4-酸性條件下還原為Mn2+的Φθ=1.51V，兩者的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)差為1.616V，遠(yuǎn)大于0，即使考慮反應(yīng)的實(shí)際酸性條件，電勢(shì)差也不可能為負(fù)值，所以從熱力學(xué)角度分析，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。但一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生還需要考慮它的動(dòng)力學(xué)條件。我們通過實(shí)驗(yàn)證明了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液（或酸性KMnO4溶液）褪色，即不發(fā)生反應(yīng)。但當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生改變時(shí)，該反應(yīng)是可以進(jìn)行的。如加入催化劑（PdCl2）時(shí)，室溫下反應(yīng)即可發(fā)生，相應(yīng)地，反應(yīng)的機(jī)理也會(huì)變化。首先發(fā)生如下反應(yīng)：CO+PdCl2+H2O=CO2+Pd+2HCl，而后，Pd再在HCl存在下與KMnO4溶液反應(yīng)。顯然，實(shí)際上使KMnO4溶液褪色的是Pd而不是CO。

綜上所述，2009年重慶卷理綜27題的設(shè)計(jì)存在一些問題，通過酸性KMnO4溶液來檢測(cè)HOOC-COOH的分解產(chǎn)物中有CO是不科學(xué)的，該設(shè)計(jì)經(jīng)不起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2009年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（重慶卷）理科綜合27題及參考答案.

[2] 2013年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（江蘇卷）理科綜合11題及參考答案.

[3]劉懷樂.對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（12）：71～73.

[4]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：564.

摘要：針對(duì)CO能否使KMnO4溶液褪色存在爭議進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液或其酸性溶液褪色的結(jié)論，并作了一定的理論解析。

關(guān)鍵詞：CO與KMnO4溶液；實(shí)驗(yàn)探究；化學(xué)教學(xué)研討

文章編號(hào)：1005–6629（2014）4–0053–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題[1]和2013年全國統(tǒng)一高考理綜（江蘇卷）16題[2]均屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，其中都涉及到CO能否使KMnO4溶液褪色這一知識(shí)點(diǎn)，但兩者的觀點(diǎn)出現(xiàn)了分歧，前者認(rèn)為能使溶液褪色或顏色變淺，后者則利用了CO不能與KMnO4溶液發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)，使用KMnO4溶液除去CO氣體中混有的雜質(zhì)。這兩種完全不同的觀點(diǎn)給很多教師及學(xué)生造成了困擾。由于CO毒性較大，又為氣體，使用不方便，所以實(shí)驗(yàn)室一般不進(jìn)行有關(guān)CO性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，這也是這一困惑一直未解決的原因之一?；浗贪婢拍昙?jí)化學(xué)課本第十章第三節(jié)（301頁）實(shí)驗(yàn)，證明吸煙時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO，其方法是：將煙氣通過盛稀高錳酸鉀溶液的試管。教材解釋是：高錳酸鉀溶液褪色，表明煙氣里含有一氧化碳。就目前情況看，這一實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癞a(chǎn)生預(yù)期的效果還有待我們驗(yàn)證。發(fā)表在《化學(xué)教學(xué)》2009年12期的“對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析”[3]一文也就此癥結(jié)做出了一定的分析，本文在此基礎(chǔ)上從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面對(duì)該問題進(jìn)行了探究與分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了澄清此問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

CO，99.99%，青島愛若氣體化工有限責(zé)任公司；KMnO4，分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠；濃硫酸，分析純，太原化肥廠化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，依次為盛有CO的鋼瓶（提供實(shí)驗(yàn)所用的氣體）；緩沖瓶（防倒吸）；盛放溶液的試管。實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過觀察試管中導(dǎo)管口氣泡來調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

如圖1所示，在一個(gè)20 mL的試管中加入5 mL 0.01 mol·L-1的KMnO4溶液，調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度約1個(gè)氣泡/秒，室溫下，通氣10min后，肉眼未觀察到KMnO4溶液顏色有任何變化；放置5h，甚至更長的時(shí)間，溶液顏色也無變化。隨后在KMnO4溶液中滴入5滴2 mol·L-1的H2SO4將溶液酸化，同樣未見溶液顏色有變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在室溫常壓下，CO與KMnO4溶液不發(fā)生明顯反應(yīng)，即使酸性介質(zhì)中該反應(yīng)也沒有明顯進(jìn)行。

2 理論解析

CO中含有穩(wěn)定的碳氧三鍵，電子式為：C……O：，其形成過程為：碳的最外層有四個(gè)電子，氧的最外層有6個(gè)電子，成鍵時(shí)碳的兩個(gè)單電子進(jìn)入到氧的p軌道和氧的兩個(gè)單電子配對(duì)成鍵，形成兩個(gè)共價(jià)鍵，然后氧的孤電子對(duì)進(jìn)入到碳的空的p軌道中形成一個(gè)配鍵，這樣氧和碳之間就形成了三個(gè)鍵[4]。三鍵使得CO的鍵能極大，一般條件下活化較困難，表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)惰性。

通常情況下，我們認(rèn)為CO具有強(qiáng)的還原性，但忽略了它的反應(yīng)條件。實(shí)際上，CO在高溫干態(tài)條件下才表現(xiàn)出很強(qiáng)的還原性。比如高溫下它能還原氧化鐵、氧化銅等金屬氧化物用于金屬的冶煉。眾所周知，KMnO4溶液具有強(qiáng)的氧化性，其酸性溶液的氧化性更強(qiáng)。而本文提到的兩道題中，都是CO在KMnO4溶液中的反應(yīng)，本身CO在水中的溶解度就很小，一通入溶液中很快就逸出，這就使得它很難與KMnO4溶液接觸繼而發(fā)生反應(yīng)，即使反應(yīng)也不會(huì)充分。要發(fā)生反應(yīng)，必須加壓使得CO在溶液中的濃度增大。但加壓增加了實(shí)驗(yàn)的難度，更主要是加壓對(duì)CO溶解度的增加效果很有限。

雖然從熱力學(xué)角度看，CO被氧化為CO2的Φθ=-0.106V，MnO4-酸性條件下還原為Mn2+的Φθ=1.51V，兩者的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)差為1.616V，遠(yuǎn)大于0，即使考慮反應(yīng)的實(shí)際酸性條件，電勢(shì)差也不可能為負(fù)值，所以從熱力學(xué)角度分析，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。但一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生還需要考慮它的動(dòng)力學(xué)條件。我們通過實(shí)驗(yàn)證明了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液（或酸性KMnO4溶液）褪色，即不發(fā)生反應(yīng)。但當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生改變時(shí)，該反應(yīng)是可以進(jìn)行的。如加入催化劑（PdCl2）時(shí)，室溫下反應(yīng)即可發(fā)生，相應(yīng)地，反應(yīng)的機(jī)理也會(huì)變化。首先發(fā)生如下反應(yīng)：CO+PdCl2+H2O=CO2+Pd+2HCl，而后，Pd再在HCl存在下與KMnO4溶液反應(yīng)。顯然，實(shí)際上使KMnO4溶液褪色的是Pd而不是CO。

綜上所述，2009年重慶卷理綜27題的設(shè)計(jì)存在一些問題，通過酸性KMnO4溶液來檢測(cè)HOOC-COOH的分解產(chǎn)物中有CO是不科學(xué)的，該設(shè)計(jì)經(jīng)不起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2009年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（重慶卷）理科綜合27題及參考答案.

[2] 2013年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（江蘇卷）理科綜合11題及參考答案.

[3]劉懷樂.對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（12）：71～73.

[4]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：564.

摘要：針對(duì)CO能否使KMnO4溶液褪色存在爭議進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液或其酸性溶液褪色的結(jié)論，并作了一定的理論解析。

關(guān)鍵詞：CO與KMnO4溶液；實(shí)驗(yàn)探究；化學(xué)教學(xué)研討

文章編號(hào)：1005–6629（2014）4–0053–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題[1]和2013年全國統(tǒng)一高考理綜（江蘇卷）16題[2]均屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，其中都涉及到CO能否使KMnO4溶液褪色這一知識(shí)點(diǎn)，但兩者的觀點(diǎn)出現(xiàn)了分歧，前者認(rèn)為能使溶液褪色或顏色變淺，后者則利用了CO不能與KMnO4溶液發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)，使用KMnO4溶液除去CO氣體中混有的雜質(zhì)。這兩種完全不同的觀點(diǎn)給很多教師及學(xué)生造成了困擾。由于CO毒性較大，又為氣體，使用不方便，所以實(shí)驗(yàn)室一般不進(jìn)行有關(guān)CO性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，這也是這一困惑一直未解決的原因之一。粵教版九年級(jí)化學(xué)課本第十章第三節(jié)（301頁）實(shí)驗(yàn)，證明吸煙時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO，其方法是：將煙氣通過盛稀高錳酸鉀溶液的試管。教材解釋是：高錳酸鉀溶液褪色，表明煙氣里含有一氧化碳。就目前情況看，這一實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癞a(chǎn)生預(yù)期的效果還有待我們驗(yàn)證。發(fā)表在《化學(xué)教學(xué)》2009年12期的“對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析”[3]一文也就此癥結(jié)做出了一定的分析，本文在此基礎(chǔ)上從實(shí)驗(yàn)與理論兩方面對(duì)該問題進(jìn)行了探究與分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了澄清此問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

CO，99.99%，青島愛若氣體化工有限責(zé)任公司；KMnO4，分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠；濃硫酸，分析純，太原化肥廠化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，依次為盛有CO的鋼瓶（提供實(shí)驗(yàn)所用的氣體）；緩沖瓶（防倒吸）；盛放溶液的試管。實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過觀察試管中導(dǎo)管口氣泡來調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

如圖1所示，在一個(gè)20 mL的試管中加入5 mL 0.01 mol·L-1的KMnO4溶液，調(diào)節(jié)CO的進(jìn)氣速度約1個(gè)氣泡/秒，室溫下，通氣10min后，肉眼未觀察到KMnO4溶液顏色有任何變化；放置5h，甚至更長的時(shí)間，溶液顏色也無變化。隨后在KMnO4溶液中滴入5滴2 mol·L-1的H2SO4將溶液酸化，同樣未見溶液顏色有變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在室溫常壓下，CO與KMnO4溶液不發(fā)生明顯反應(yīng)，即使酸性介質(zhì)中該反應(yīng)也沒有明顯進(jìn)行。

2 理論解析

CO中含有穩(wěn)定的碳氧三鍵，電子式為：C……O：，其形成過程為：碳的最外層有四個(gè)電子，氧的最外層有6個(gè)電子，成鍵時(shí)碳的兩個(gè)單電子進(jìn)入到氧的p軌道和氧的兩個(gè)單電子配對(duì)成鍵，形成兩個(gè)共價(jià)鍵，然后氧的孤電子對(duì)進(jìn)入到碳的空的p軌道中形成一個(gè)配鍵，這樣氧和碳之間就形成了三個(gè)鍵[4]。三鍵使得CO的鍵能極大，一般條件下活化較困難，表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)惰性。

通常情況下，我們認(rèn)為CO具有強(qiáng)的還原性，但忽略了它的反應(yīng)條件。實(shí)際上，CO在高溫干態(tài)條件下才表現(xiàn)出很強(qiáng)的還原性。比如高溫下它能還原氧化鐵、氧化銅等金屬氧化物用于金屬的冶煉。眾所周知，KMnO4溶液具有強(qiáng)的氧化性，其酸性溶液的氧化性更強(qiáng)。而本文提到的兩道題中，都是CO在KMnO4溶液中的反應(yīng)，本身CO在水中的溶解度就很小，一通入溶液中很快就逸出，這就使得它很難與KMnO4溶液接觸繼而發(fā)生反應(yīng)，即使反應(yīng)也不會(huì)充分。要發(fā)生反應(yīng)，必須加壓使得CO在溶液中的濃度增大。但加壓增加了實(shí)驗(yàn)的難度，更主要是加壓對(duì)CO溶解度的增加效果很有限。

雖然從熱力學(xué)角度看，CO被氧化為CO2的Φθ=-0.106V，MnO4-酸性條件下還原為Mn2+的Φθ=1.51V，兩者的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)差為1.616V，遠(yuǎn)大于0，即使考慮反應(yīng)的實(shí)際酸性條件，電勢(shì)差也不可能為負(fù)值，所以從熱力學(xué)角度分析，反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。但一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生還需要考慮它的動(dòng)力學(xué)條件。我們通過實(shí)驗(yàn)證明了室溫常壓下CO不能使KMnO4溶液（或酸性KMnO4溶液）褪色，即不發(fā)生反應(yīng)。但當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生改變時(shí)，該反應(yīng)是可以進(jìn)行的。如加入催化劑（PdCl2）時(shí)，室溫下反應(yīng)即可發(fā)生，相應(yīng)地，反應(yīng)的機(jī)理也會(huì)變化。首先發(fā)生如下反應(yīng)：CO+PdCl2+H2O=CO2+Pd+2HCl，而后，Pd再在HCl存在下與KMnO4溶液反應(yīng)。顯然，實(shí)際上使KMnO4溶液褪色的是Pd而不是CO。

綜上所述，2009年重慶卷理綜27題的設(shè)計(jì)存在一些問題，通過酸性KMnO4溶液來檢測(cè)HOOC-COOH的分解產(chǎn)物中有CO是不科學(xué)的，該設(shè)計(jì)經(jīng)不起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2009年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（重慶卷）理科綜合27題及參考答案.

[2] 2013年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試（江蘇卷）理科綜合11題及參考答案.

[3]劉懷樂.對(duì)2009年全國統(tǒng)一高考理綜（重慶卷）27題的教學(xué)分析[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（12）：71～73.

[4]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：564.