氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)

李猛 王世存

摘要：鑒于教材中氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)存在用料多、耗時(shí)長(zhǎng)、污染大等不足，在文獻(xiàn)梳理的基礎(chǔ)上，結(jié)合中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際，遵循可操作性原則，對(duì)氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一體化改進(jìn)設(shè)計(jì)。該一體化實(shí)驗(yàn)可以通過一次實(shí)驗(yàn)連續(xù)完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)的驗(yàn)證。減少了試劑用量，防止了環(huán)境污染，體現(xiàn)了綠色化學(xué)思想、培養(yǎng)了學(xué)生環(huán)保意識(shí)，并為其他性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)提供了思路。

關(guān)鍵詞：氯氣制備；性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；一體化；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）8–0060–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》實(shí)施建議中指出：“要鼓勵(lì)教師和實(shí)驗(yàn)管理人員開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器，研究低成本、少污染的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生和教師設(shè)計(jì)富有特色的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)。[1]”為此對(duì)人教版化學(xué)1（必修）第四章第二節(jié)[實(shí)驗(yàn)4-4]和[實(shí)驗(yàn)4-5] [2]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

教材上的實(shí)驗(yàn)方法存在以下問題：

（1）氯氣制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是分開進(jìn)行的，存在試劑用量大、儀器多、操作繁等不足。

（2）需要課前制備氯氣并保存在廣口瓶中，實(shí)驗(yàn)操作中氯氣易逸散，污染教室內(nèi)環(huán)境，危害師生身體健康，不利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

（3）該實(shí)驗(yàn)只驗(yàn)證了氯水的漂白性，對(duì)氯氣的酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等并未涉及，而這些性質(zhì)又是氯氣的重要性質(zhì)，不利于學(xué)生形成系統(tǒng)全面的知識(shí)。

針對(duì)以上問題，查閱了大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)已有不少學(xué)者對(duì)氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)研究，取得了較多成果。

如：李海燕的“新課標(biāo)下的氯氣漂白性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”[3]，見圖1。這是一個(gè)封閉的實(shí)驗(yàn)裝置，能防止氯氣對(duì)空氣的污染，能夠完成氯氣制備及漂白性的驗(yàn)證，是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)較好的改進(jìn)。但是該裝置并未對(duì)氯氣的氧化性、酸性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)作驗(yàn)證。

羅兵的“氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的組合化與微型化設(shè)計(jì)”[4]，見圖2。這個(gè)組合化、微型化的實(shí)驗(yàn)裝置，一次實(shí)驗(yàn)就能夠完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)的驗(yàn)證，同時(shí)尾氣處理裝置能防止氯氣對(duì)空氣的污染。但是，該裝置不能對(duì)氯氣漂白作用的不可逆性進(jìn)行驗(yàn)證，且所用材料儀器較多，課堂搭建裝置較復(fù)雜。

于永民的“氯氣的制備及其性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微量化設(shè)計(jì)”[5]，見圖3、圖4、圖5、圖6。

該裝置利用注射器、球型干燥器巧妙地完成了氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)的驗(yàn)證。但是，該裝置每次只能完成氯氣一個(gè)性質(zhì)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，不利于節(jié)約課堂時(shí)間，也不能對(duì)氯氣漂白作用的不可逆性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過對(duì)文獻(xiàn)的梳理，確保設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置能夠一次完成氯氣的制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，且能夠?qū)β葰馄仔缘牟豢赡嫘赃M(jìn)行驗(yàn)證。采用Y型試管與長(zhǎng)頸漏斗結(jié)合完成氯氣的制??；采用Y型試管、硬質(zhì)玻璃管和球型干燥器結(jié)合完成氯氣諸多性質(zhì)的驗(yàn)證；采用Y型試管A端褪色后，加熱紅色不恢復(fù)，驗(yàn)證氯氣漂白性的不可逆性，為后面學(xué)習(xí)二氧化硫使品紅溶液褪色的不同反應(yīng)機(jī)理做鋪墊；采用倒置的普通漏斗與燒杯結(jié)合組成氯氣的尾氣處理裝置，確保尾氣的吸收，防止空氣污染，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的思想。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，結(jié)合中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)了氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的使用能夠連續(xù)完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)以及對(duì)氯氣漂白作用的不可逆性的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中試劑用量少、防止環(huán)境污染、現(xiàn)象較明顯，充分體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，突出了化學(xué)學(xué)科特征，發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)的教育功能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)室通常采用濃鹽酸和二氧化錳在加熱的條件下制取氯氣。濃鹽酸在加熱的條件下，容易揮發(fā)出HCl氣體，對(duì)氯氣性質(zhì)驗(yàn)證造成干擾。KClO3與稀鹽酸幾乎不反應(yīng)或反應(yīng)很慢，與濃鹽酸反應(yīng)也不理想且會(huì)揮發(fā)出HCl氣體。KMnO4反應(yīng)較快較劇烈，但不易控制反應(yīng)速率，且試劑有顏色。而漂粉精片[Ca（ClO）2]反應(yīng)速率較適中，且不需加熱，容易獲得，較低濃度的鹽酸就能與漂粉精片反應(yīng)，速度適中易于觀察，揮發(fā)性雜質(zhì)較少，適合中學(xué)化學(xué)做演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)方程式為：

Ca（ClO）2+4HCl=CaCl2+2Cl2↑+2H2O

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、分液漏斗、Y形試管、酒精燈、硬質(zhì)玻璃管、球型干燥器、導(dǎo)管、普通漏斗、燒杯、濾紙、膠頭滴管、剪刀、止水夾、鑷子、木塊、石棉絨

藥品：漂粉精片[Ca（ClO）2]、2 mol/L鹽酸、紫色石蕊試液、品紅溶液、淀粉碘化鉀溶液、NaOH溶液

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖7。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）鐵架臺(tái)連接Y形試管，如圖7搭建實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置氣密性，在A端加入約2mL品紅溶液，在B端加入約2g漂粉精片，在分液漏斗中加入適量的2 mol/L鹽酸。

（2）在硬質(zhì)玻璃管上取等距的C、D、E三點(diǎn)。對(duì)應(yīng)地用剪刀把濾紙剪成大小相同的三張濾紙片C、D、E，用膠頭滴管滴加石蕊試液于C、D上，其中C烘干備用。滴加淀粉碘化鉀溶液于E上浸濕備用。

（3）用鑷子夾取制備好的濾紙片C、D、E放在對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)玻璃管的C、D、E三點(diǎn)。球型干燥器F處石棉絨上加入約0.1g金屬鈉。連接裝有氫氧化鈉溶液的尾氣處理裝置。

（4）打開止水夾和分液漏斗的上口塞和玻璃活塞，向B端加入適量的2 mol/L鹽酸。待黃綠色氣體充滿整個(gè)裝置，觀察到A端品紅溶液褪色，C點(diǎn)濾紙無明顯變化，D點(diǎn)濾紙先變紅后褪色，E點(diǎn)濾紙由白色變藍(lán)色，藍(lán)色變淺直至褪色，金屬鈉與氯氣很容易反應(yīng)，可觀察到金屬鈉自動(dòng)燃燒（可微熱），發(fā)出黃色火焰，并產(chǎn)生白色固體。

（5）加熱Y形試管A端，褪色的品紅溶液不能恢復(fù)成紅色。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）硬質(zhì)玻璃管C、D處濾紙顏色的變化和Y形試管A端品紅溶液褪色，證明氯氣本身沒有漂白性，氯水有漂白性；加熱Y形試管A端，褪色的品紅溶液不能恢復(fù)成紅色，證明氯水漂白性的不可逆性。

一體化：通常能在6～8分鐘內(nèi)一次完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應(yīng)等性質(zhì)以及對(duì)氯氣漂白作用的不可逆性進(jìn)行驗(yàn)證。

防污染：采用倒置的普通漏斗能充分吸收尾氣，防止污染環(huán)境，保護(hù)師生身體健康，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保意識(shí)。

節(jié)約性：該設(shè)計(jì)用試液浸濕的濾紙片與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，既減少了試液的用量，又減少了氯氣的需要量，從而節(jié)約了漂粉精片[Ca（ClO）2]和鹽酸的用量。

靈活性：硬質(zhì)玻璃管中C、D、E的濾紙可以換成pH試紙、滴有KSCN的新制FeCl2溶液、Na2S溶液、NaBr溶液等。球型干燥器F處可換成銅絲、鐵絲，底部墊上石棉絨，可驗(yàn)證氯氣的諸多性質(zhì)。

普適性：該裝置稍加改裝可完成SO2等氣體的制取和諸多性質(zhì)的驗(yàn)證。例如把漂粉精片（次氯酸鈣）和鹽酸換成亞硫酸鈉粉末和硫酸，可完成SO2氣體制備及其漂白性、氧化性、酸性、還原性等性質(zhì)的驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)說明

（1）分液漏斗下端應(yīng)緊貼Y形試管B端的試管壁，防止鹽酸滴入品紅溶液中?？稍贑點(diǎn)前安裝裝有CaCl2球型干燥器，吸收少量的水蒸氣，排除干擾。

（2）待品紅溶液褪色后，再用酒精燈加熱A端，且品紅溶液加入量不要過多，防止褪色現(xiàn)象不明顯。

（3）在與金屬反應(yīng)時(shí)，將金屬切成金屬片或金屬絲，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，現(xiàn)象較明顯。同時(shí)從安全性角度考慮，金屬鈉用量要控制在0.1g以內(nèi)，且在金屬下面墊上石棉絨。

（4）尾氣處理的NaOH溶液濃度不宜過稀。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后加熱裝置或在B端加入稍過量的鋅粒，把剩余氯氣排到尾氣處理裝置中，保證剩余的氯氣被吸收，防止污染環(huán)境，保護(hù)師生身體健康。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2013：41.

[2]宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：84.

[3]李海燕.新課標(biāo)下的氯氣漂白性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2009，（10）：68.

[4]羅兵.氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的組合化與微型化設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（5）：50.

[5]于永民.氯氣的制備及其性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微量化設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（5）：40～42.