氯氣與水反應(yīng)可逆過程的數(shù)字化實驗

蔣金虎黃穎潔項云

（南京市第十三中學(xué)江蘇南京210008）

氯氣與水反應(yīng)可逆過程的數(shù)字化實驗

蔣金虎黃穎潔項云

（南京市第十三中學(xué)江蘇南京210008）

不同版本教材對可逆反應(yīng)教學(xué)的處理不同，教學(xué)中教師對氯氣與水反應(yīng)的過程是可逆的處理也不同，本實驗運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)將氯氣與水反應(yīng)可逆過程實現(xiàn)可視化，實現(xiàn)通過氯氣與水反應(yīng)可逆過程進行可逆反應(yīng)的教學(xué)的統(tǒng)一。并根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)和曲線分析氯氣溶于水過程中溶解平衡與氯氣與水可逆反應(yīng)平衡的建立過程。

數(shù)字化實驗;氯氣與水反應(yīng);可逆反應(yīng)

一、創(chuàng)新實驗來源

1.不同版本教材對可逆反應(yīng)教學(xué)的不同處理

蘇教版《化學(xué)1》專題二從海水中獲得化學(xué)物質(zhì)［1］，在講解氯氣與水反應(yīng)時，以Cl2+H2O■■■■HCl+HClO進行了可逆反應(yīng)的概念及應(yīng)用的教學(xué)，因此學(xué)生對氯氣與水反應(yīng)是可逆反應(yīng)并無異議。但人教版《化學(xué)1》第四章非金屬及其化合物第二節(jié)富集在海水中的元素——氯［2］中，在講解氯氣與水反應(yīng)時，運用的反應(yīng)方程式為Cl2+H2O====HCl+HClO,未涉及可逆反應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，對于可逆反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容人教版是安排在《化學(xué)2》第二章化學(xué)反應(yīng)與能量中第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率和限度［3］時進行教學(xué)的，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)氯氣時并不知道氯氣與水反應(yīng)為可逆反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤認(rèn)識以及對氯氣與水反應(yīng)方程式書寫產(chǎn)生困惑，也嚴(yán)重影響學(xué)生對氯水性質(zhì)的理解與運用。

2.實驗教學(xué)中產(chǎn)生的疑難

在人教版《化學(xué)2》第三章有機化合物第一節(jié)最簡單的有機物——甲烷“科學(xué)探究”［4］中，要通過排飽和食鹽水的方法收集氯氣。不能用排水法收集氯氣的原理學(xué)生在化學(xué)1已習(xí)得，但為什么可以用排飽和食鹽水的方法收集氯氣呢？如果此時再進行氯氣與水反應(yīng)是可逆反應(yīng)以及平衡教學(xué)，不僅對甲烷性質(zhì)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生干擾，而且學(xué)生對氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解度較小還是很難理解。

因此，在氯氣與水的反應(yīng)教學(xué)中結(jié)合可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡教學(xué)內(nèi)容將會使兩者相互促進相得益彰。那么，如何通過實驗手段來揭示氯氣與水反應(yīng)的可逆過程呢？本設(shè)計通過數(shù)字化實驗的方式將氯氣與水反應(yīng)的可逆過程實現(xiàn)可視化，讓學(xué)生真正理解其可逆反應(yīng)的實質(zhì)以及為什么可以通過排飽和食鹽水的方法收集氯氣。

二、實驗試劑及儀器

實驗試劑：氯氣、水、氯化鈉固體

實驗儀器：威尼爾數(shù)字化實驗儀器（pH傳感器、壓強傳感器）、500mL三頸燒瓶、干燥管、100mL注射器、膠塞、導(dǎo)管。

三、實驗裝置及構(gòu)造

圖1 實驗裝置

四、實驗原理分析

1.氯氣溶于水存在氯氣的溶解平衡和氯氣與水反應(yīng)的兩種平衡，兩種平衡共存及相互影響。

2.在體積不變的密閉體系中，向收集滿氯氣的容器中加入一定量的水后，分別建立氯氣溶解平衡和氯氣與水反應(yīng)可逆平衡，此時，容器內(nèi)氣體壓強以及溶液pH將減小直至不再變化（都達到平衡）。當(dāng)兩者均達到平衡狀態(tài)后，加入大量氯化鈉固體，使得溶液中氯離子濃度增大直至達到飽和。根據(jù)勒夏特列原理，Cl2+H2O■■■■H++Cl—+HClO，氯離子濃度增大，平衡逆向移動，氫離子濃度減小，溶液pH增大，氯氣物質(zhì)的量增大，又導(dǎo)致氯氣溶解平衡向逸出氯氣方向移動，從而使密閉容器內(nèi)壓強增大。借助數(shù)字化實驗儀器可以用壓強傳感器將密閉體系中壓強的變化數(shù)據(jù)、pH傳感器將溶液pH值的變化數(shù)據(jù)收集并轉(zhuǎn)化為曲線在電腦上直觀顯現(xiàn)出來，達到將氯氣與水反應(yīng)可逆過程可視化的目的。

五、實驗步驟及現(xiàn)象

1.按實驗裝置連接好儀器（儀器內(nèi)無試劑，注射器內(nèi)管盡可能向外拉開以便收集更多空氣），打開程序，開始數(shù)據(jù)采集，觀察壓力傳感器數(shù)據(jù)及曲線變化。當(dāng)數(shù)據(jù)不再變化時，將注射器內(nèi)空氣壓入三頸燒瓶，觀察到壓力傳感器收集的數(shù)據(jù)不再增大并且30秒數(shù)據(jù)保持不變（或曲線30秒都不再上升），說明裝置氣密性良好。

2.用100mL注射器吸入約50mL的水，將注射器針頭插入帶有單孔玻璃管的膠塞中。

3.向球形干燥管內(nèi)加入約20g氯化鈉固體（要研細，防止氯化鈉固體堵塞球形干燥管的細管而不能順利滑入三頸燒瓶中），用膠塞塞緊球形干燥管的粗口，用橡皮管將球形干燥管細口與單孔塞玻璃管連接。將單孔塞塞緊三頸燒瓶右口。

4.將裝有pH傳感器的膠塞塞緊三頸燒瓶中口。

5.用向上排空氣法收集滿一三頸燒瓶的氯氣，將裝有壓強傳感器的膠塞塞緊三頸燒瓶左口。

6.將三頸燒瓶固定在磁力攪拌器的鐵架上。

7.將壓強傳感器、pH傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接，打開電腦程序，打開壓強傳感器活塞，開啟磁力攪拌器，將球形干燥管略向上傾斜（保證球形干燥管內(nèi)空氣與三頸燒瓶內(nèi)氯氣相通），開始采集數(shù)據(jù)。

8.迅速將注射器中的水壓入三頸燒瓶中（注意壓完后不能松手），觀察壓強、pH的數(shù)值變化以及曲線變化情況，在500秒左右，發(fā)現(xiàn)壓強、pH的數(shù)值在10秒內(nèi)幾乎不再變化（見數(shù)據(jù)表1），此時用手敲擊球形干燥管使氯化鈉固體全部順利滑入三頸燒瓶中，得到實驗可視化圖1。

9.重復(fù)操作步驟2—8，觀察到在380秒時pH的數(shù)值在10秒內(nèi)幾乎不再變化而壓強的數(shù)值在10秒內(nèi)仍在減?。ㄒ姅?shù)據(jù)表2），于383秒時用手敲擊球形干燥管使部分氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數(shù)據(jù)（見數(shù)據(jù)表3）及圖形變化；在430秒左右時pH的數(shù)值在10秒內(nèi)幾乎不再變化而壓強的數(shù)值在10秒內(nèi)仍在減小（見數(shù)據(jù)表4），于383秒時用手敲擊球形干燥管使部分氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數(shù)據(jù)（見數(shù)據(jù)表4）及圖形變化；在510秒左右時pH的數(shù)值在10秒內(nèi)幾乎不再變化而壓強的數(shù)值在10秒內(nèi)減小不明顯（見數(shù)據(jù)表5），于513秒時用手敲擊球形干燥管使剩余氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數(shù)據(jù)（見數(shù)據(jù)表5）及圖形變化，最終得到實驗可視化圖2。

圖2 實驗數(shù)據(jù)表

圖3 實驗可視化圖

六、數(shù)據(jù)及實驗可視化圖分析與處理

結(jié)合數(shù)據(jù)表1及實驗可視化圖1可知，將注射器內(nèi)水壓入三頸燒瓶中時，因氯氣體積減小壓強數(shù)值增大壓強曲線上升，但因pH傳感器探頭還未完全浸沒在水中，所以此時pH數(shù)值及曲線不穩(wěn)定。當(dāng)水全部被壓入后，壓強與pH值同時減小曲線同時下降，此時氯氣溶于水以及溶于水的部分氯氣與水反應(yīng)；一段時間后，pH值先于壓強數(shù)值不再變化，當(dāng)壓強與pH值都不再隨時間變化而變化時，說明氯氣溶解與氯氣與水反應(yīng)都建立了平衡；此時加入氯化鈉固體，氯離子濃度增大，圖中壓強與pH值也都增大，pH值增大說明氫離子濃度減小，說明反應(yīng)逆向進行，因此，氯氣與水反應(yīng)是可逆反應(yīng)；壓強增大，說明從溶液中逸出的氯氣增多，說明氯氣溶于水存在溶解平衡。當(dāng)氯氣溶解與氯氣與水反應(yīng)都建立了平衡后加入氯化鈉固體，壓強與pH值同時增大曲線同時上升，說明氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解度減小，因此，可以用排飽和食鹽水的方法來收集氯氣。

結(jié)合數(shù)據(jù)表2、3、4、5及實驗可視化圖2可知，當(dāng)溶液pH值在一段時間內(nèi)不再變化但是壓強數(shù)值卻還在減小，且加入部分氯化鈉固體后，pH增大而壓強依然在減小，說明氯氣溶于水時存在氯氣溶解和溶解的氯氣部分與水反應(yīng)，氯氣溶解平衡的建立與氯氣與水反應(yīng)可逆平衡的建立是兩個相對獨立的過程，并且氯氣與水可逆反應(yīng)先于氯氣溶解建立平衡；結(jié)合數(shù)據(jù)表1及實驗可視化圖1，說明只有當(dāng)氯氣溶解與氯氣與水可逆反應(yīng)都達到平衡后，加入氯化鈉固體將對兩個平衡移動產(chǎn)生一致影響，才會使壓強及pH值同時增大曲線同時上升。

七、實驗設(shè)計特色

1.對于氯氣與水反應(yīng)可逆過程的理解，教師上課時用語言一直無法作出讓學(xué)生信服的描述。通過本實驗可以將可逆過程通過pH、壓強數(shù)值變化直觀感知且可以通過pH、壓強變化曲線將可逆過程可視化，進而進一步理解氯氣可以用排飽和食鹽水收集的原因?！叭N傳感器多重表征探究氯水反應(yīng)的可逆性”［5］一文，用下圖4裝置實驗得出圖5現(xiàn)象結(jié)論，但本實驗設(shè)計與之相比，將敞口體系變?yōu)槊荛]體系，同時將單一傳感器的使用變?yōu)槎喾N傳感器協(xié)同運用，達到立體多因素探究，更加直觀顯現(xiàn)出氯氣與水反應(yīng)的可逆過程。由向水中通入氯氣（必然導(dǎo)致少量氯氣外泄引起污染）變?yōu)橄蛎荛]容器中的氯氣注入水達到綠色環(huán)保。由藥匙或燃燒匙加固體氯化鈉改為干燥管加氯化鈉，不僅保證體系密閉，而且可以加大氯化鈉用量達到飽和，使實驗現(xiàn)象更加明顯,曲線更加清晰。

圖4 裝置圖

當(dāng)曲線下降至基本不變時，關(guān)閉活塞停止通入氯氣。保持遮光，旋轉(zhuǎn)燃燒匙加入固體氯化鈉，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖5所示。

圖5 飽和氯水中溶解氯化鈉固體的pH變化

2.該實驗操作簡單方便，在課堂教學(xué)運用綠色環(huán)保，通過實驗，引導(dǎo)學(xué)生分析氯氣和水所發(fā)生的可逆反應(yīng)，深入理解平衡移動的實質(zhì)。在此過程中，進一步培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3.可以厘清氯氣溶于水與氯氣與水反應(yīng)之間的關(guān)系。多次實驗結(jié)果說明，氯氣溶于水包括氯氣的溶解和氯氣與水反應(yīng)兩個過程，兩個過程具有相對獨立性；氯氣溶解平衡的建立與氯氣與水反應(yīng)平衡的建立不是同步的，具有相對獨立性，氯氣與水反應(yīng)可逆平衡先于氯氣溶解平衡建立；當(dāng)氯氣溶解過程與氯氣與水反應(yīng)過程都未達平衡時加入較多固體氯化鈉時，氯氣與水反應(yīng)先于氯氣溶解逆向進行，會出現(xiàn)壓強上升滯后pH的現(xiàn)象；當(dāng)兩個過程都達平衡后，再加固體氯化鈉兩者將同步逆向進行。

［1］王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書：化學(xué)1（必修）（第6版）［M］.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2014：41-43

［2］宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書.化學(xué)1（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：82-85

［3］宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書.化學(xué)2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：50-51

［4］宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書.化學(xué)2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：61

［5］周美華,后勇軍.三種傳感器多重表征探究氯水反應(yīng)的可逆性［J］.化學(xué)教與學(xué),2016（10）:90-91

1008-0546（2017）09-0072-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.024