过氧化钠与水、二氧化碳反应的规律剖析

黑龙江省庆安一中 孙秀民

 

过氧化钠(Na₂O₂)是一种淡黄色的固体，结构中存在过氧键“—O—O—”，具有强氧化性。Na₂O₂可以与H₂O、CO₂发生反应，由于在反应过程中涉及固体质量、气体体积的变化及产物的判断问题，再加上试题考查角度灵活多变，因此也就成了学习的难点和考试的热点。下面就Na₂O₂与H₂O、CO₂反应的特点进行剖析，以便使大家在学习中能轻松突破该知识点。

 

一、组成符合(CO)_n(H₂)_m形式的物质与Na₂O₂反应地增重问题

 

Na₂O₂与H₂O、CO₂反应的化学方程式分别为：

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂ ①

2Na₂O₂ + 2H₂O = 4NaOH + O₂ ↑②

 

在上述两个反应中，对于Na₂O₂而言，根据原子守恒，在反应①中Na₂O₂增加的质量实际上是2CO₂－O₂即2CO的质量，根据1 mol Na₂O₂ ～ 1 mol CO,其结果可以看作：Na₂O₂+CO= Na₂CO₃(注意该反应实际不发生)；同理，在反应②中Na₂CO₃增加的质量实际上是H₂O中H的质量，根据2 mol Na₂O₂ ～ 4 mol H,其结果可以看作：Na₂O₂+H₂= 2NaOH(注意该反应实际不发生)。

 

根据上述分析，可以得出结论：

1.将CO或H₂的燃烧产物CO₂或H₂O通过足量的Na₂O₂，可以看成是由CO或H₂直接与Na₂O₂反应，所以Na₂O₂固体质量的增加值就是“参加反应”的CO或H₂的质量。

2.凡是分子组成符合(CO)_n(H₂)_m形式的一种或几种物质，w g该物质在O₂中完全燃烧，将其产物(CO₂和水蒸气)通过足量的Na₂O₂后，Na₂O₂固体增重必为w g。

中学阶段常见的符合这一关系的物质有：(1)无机物：H₂、CO及H₂和CO的混合气体；(2)有机物：CH₃OH、HCHO、CH₃COOH、HCOOCH₃、CH₃CH(OH)COOH(乳酸)、C₆H₁₂O₆(葡萄糖)等。

 

【例1】取a g某物质在氧气中完全燃烧，将其产物与足量过氧化钠固体完全反应，测其反应后固体质量仍为a g，下列物质中不能满足上述结论的是( )

A. H₂ B. CO C. C₆H₁₂O₆ D. C₁₂H₂₂O₁₁

 

【答案】D

 

【解析】A项和B项中的H₂、CO可以看作直接与Na₂O₂反应，增加的质量等于气体的质量，符合题意；C项中葡萄糖的分子式可改写成(CO)₆(H₂)₆，则将a g葡萄糖完全燃烧后的产物与足量过氧化钠反应，反应后过氧化钠固体增加的质量也等于葡萄糖的质量 a g，C项正确；D项中物质C₁₂H₂₂O₁₁只能改写成(CO)₁₁C(H₂)₁₁，分子组成不符合(CO)_n(H₂)_m，故不满足增加a g的结果，D项错误。

 

二、Na₂O₂与H₂O(g)、CO₂反应的差量问题

 

1.CO₂、H₂O(g)与过量的Na₂O₂反应，所得O₂的体积为相同状况下CO₂、H₂O(g)体积的一半。

 

2.将Na₂O₂粉末加入H₂O(l)中，根据反应Na₂O₂ + 2H₂O = 4NaOH + O₂ ↑，可知2 mol Na₂O₂生成1 mol O₂，相当于直接加入2 mol Na₂O，即液体增加的质量等于同“物质的量”的Na₂O的质量。

根据CO₂或H₂O与Na₂O₂反应的化学方程式，利用体积差量或质量差量进行计算，可以简化运算过程，减少出错几率，提高解题速度。

 

【例2】(2011·上海卷)过氧化钠可作为氧气的来源。常温常压下二氧化碳和过氧化钠反应后，若固体质量增加了28g，反应中有关物质的量正确的是(N_A表示阿伏加德罗常数) ( )

 

二氧化碳	碳酸钠	转移电子数
A	1 mol	NA
B	22.4 L	1 mol
C	106 g	1 mol
D	106 g	2NA

【答案】AC

【解析】根据反应2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂，设有x g过氧化钠参加反应，则：

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂ △m

156 88 212 32 212-156=56

x g 28g

 

所以有，156/56=x/28，解得：x=78，即有1 mol CO₂参加反应，生成1 mol Na₂CO₃。

 

根据反应可知转移的电子数为N_A，故A、C两项正确；常温常压下，1 mol CO₂的体积不是22.4L，故B项错误；在反应中有106 g Na₂CO₃参加反应，转移的电子数为N_A，D项错误。

 

三、Na₂O₂与H₂O(g)、CO₂反应的先后问题

 

Na₂O₂与H₂O(g)、CO₂的混合物反应，应看成Na₂O₂先吸收CO₂生成Na₂CO₃，然后再吸收H₂O(g)生成NaOH。

 

【例3】将m mol NaHCO₃和n mol Na₂O₂固体混合物置于密闭容器中加热到250℃，使其充分反应，最终生成的气体和剩余固体混合物均由两种物质组成，试完成下列问题：

 

(1)最终生成的气体由什么组成？

 

(2)分析m/n的数值范围及固体成分

 

【答案】(1) H₂O(g)、O₂ (2) 1＜m/n＜2 Na₂CO₃、NaOH

 

【解析】首先发生反应2NaHCO₃

Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O↑,生成的CO₂和H₂O的物质的量n(CO₂)=n(H₂O)=m/2 mol，产生的CO₂和水蒸气再与过氧化钠反应；当Na₂O₂与H₂O(g)、CO₂的混合物反应时，先与CO₂反应，再与H₂O(g)反应，即：

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂ ①

 

2Na₂O₂ + 2H₂O = 4NaOH + O₂ ↑②

 

当m/n≥2时，只发生反应①，生成的固体为Na₂CO₃，生成的气体为O₂和H₂O(g)；

 

当1＜m/n＜2时，发生反应①和②，但H₂O(g)只消耗一部分，最后剩余固体为Na₂CO₃和NaOH，气体为O₂和H₂O(g)；

 

当m/n=1时，反应①和②恰好完全进行，剩余固体为Na₂CO₃和NaOH，气体为O₂；

 

当m/n＜1时，发生反应①和②后，剩余Na₂O₂，最后剩余固体为Na₂O₂、Na₂CO₃和NaOH，气体为O₂；

 

题目要求最终生成的气体和剩余固体混合物均由两种物质组成，即1＜m/n＜2，NaHCO₃分解生成的CO₂已全部与Na₂O₂反应消耗尽，H₂O(g)部分消耗，故最终生成的气体为H₂O(g)和O₂。

 

四、Na₂O₂与H₂O(g)、CO₂混合物反应的产物判断

 

根据反应方程式2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂、 2Na₂O₂ + 2H₂O = 4NaOH + O₂ ↑，结合反应的先后顺序：CO₂先反应，H₂O后反应，可以推知反应后，固体产物的成分为：

 

① 当n(CO₂) ≥ n(Na₂O₂)时，固体产物为Na₂CO₃；

 

② 当n(CO₂) ＜ n(Na₂O₂)时，固体产物为Na₂CO₃和NaOH。

 

我们在学习中一定要深入思考，总结规律，灵活掌握知识间的内在联系，把握反应的实质，巧妙运用反应的关系，才能优化解题过程，减少中间步骤，降低出错几率。

 

【例4】将O₂、CH₄、Na₂O₂放入密闭容器中，在150℃条件下用电火花引燃反应，恰好完全反应后，容器中的压强为零，由此得出原混合物中O₂、CH₄、Na₂O₂的物质的量之比为(   )

     A. 1∶1∶1 B. 2∶2∶6 C. 1∶2∶6 D. 无法确定

 

【答案】C

 

【解析】由题意可知，三种物质完全反应后压强为零，说明最终生成Na₂CO₃和NaOH。根据凡是分子组成符合(CO)_n(H₂)_m形式的一种或几种物质的混合物与足量过氧化钠反应，固体Na₂O₂增加的质量等于该混合物的质量的规律，要使O₂和CH₄的组成符合(CO)_n(H₂)_m的形式，则必有n(O₂)∶n(CH₄)=1∶2。假设有1 mol O₂、2 mol CH₄与n mol Na₂O₂反应：2CH₄+O₂+Na₂O₂→Na₂CO₃+NaOH，然后由氢原子守恒确定NaOH的物质的量为8 mol；由碳原子守恒确定Na₂CO₃的物质的量为2 mol；最后求出O₂的物质的量为1 mol，即可得出下列方程式：2CH₄+O₂+6Na₂O₂=2Na₂CO₃+8NaOH，即C项正确。

 

【练习】

 

1.一定温度下，w₁ g下列物质在足量的氧气中充分燃烧后，产物与足量的过氧化钠充分反应，过氧化钠增重w₂ g，且w₁= w₂，则符合此条件的物质是( )

①H₂ ②CO ③H₂和CO的混合气体④HCOOCH₃ ⑤CH₃CHO ⑥C₆H₁₂O₆

 

A. ①②③⑥ B.①②③ C.①②③④⑥ D.①②③⑤

2.将1 mol Na₂O₂与2 mol NaHCO₃固体混合后，在密闭容器中加热充分反应，排出气体物质后冷却，残留的固体物质是( )

A. Na₂CO₃ B. Na₂O₂、Na₂CO₃

C. NaOH、Na₂CO₃ D. Na₂O₂、NaOH、Na₂CO₃

 

【答案】1.C 2.A