氯氣與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及相關(guān)教學(xué)探討

李振雯 秦浩正

摘要： 巧妙利用三頸燒瓶、氣球、一次性注射器、一次性塑料滴管和筆式酸度計(jì)等常用儀器，設(shè)計(jì)氯氣與水反應(yīng)的完全密閉、不會造成氯氣泄漏的新實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置裝配簡單，現(xiàn)象明顯，用于教學(xué)中能夠使學(xué)生根據(jù)酸度計(jì)的讀數(shù)變化規(guī)律分析可逆反應(yīng)歷程，探尋達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的特征，完成知識目標(biāo)的同時(shí)，發(fā)展創(chuàng)新思維，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞： 氯氣與水反應(yīng)； 化學(xué)平衡； 可逆反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2018）4-0069-04 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

“化學(xué)平衡”是化學(xué)中平衡理論體系的核心，是學(xué)習(xí)電離平衡、水解平衡等的必備基礎(chǔ)知識，對深入理解其他平衡具有重要的理論指導(dǎo)意義。由于實(shí)際教學(xué)中很難找到合適的方法使學(xué)生直接感受化學(xué)平衡的建立過程，滬科版教材補(bǔ)充氫氣與碘單質(zhì)的可逆反應(yīng)，直接呈現(xiàn)反應(yīng)物和生成物濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，用以說明可逆反應(yīng)不能進(jìn)行到底[1]?？赡娣磻?yīng)存在化學(xué)平衡，多數(shù)教師在教學(xué)時(shí)僅限于宏觀性質(zhì)的講解，學(xué)生對化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)多為機(jī)械記憶，沒有進(jìn)行太多的思維活動，很難理解并掌握這一概念，因此該內(nèi)容一直是化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2～3]。筆者認(rèn)為有必要通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生探討反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的過程與特征，通過宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋微觀反應(yīng)歷程，建立坐標(biāo)圖像模型，發(fā)展學(xué)生思維，幫助其理解與掌握知識[4]。

1 實(shí)驗(yàn)選擇

在學(xué)習(xí)該內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)知道二氧化硫催化氧化、工業(yè)合成氨、二氧化碳與水、氯氣與水的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，了解影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，故在此基礎(chǔ)上可以深入探索可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡。在上述反應(yīng)中，筆者選擇有色氣體氯氣和水的反應(yīng)作為本節(jié)知識學(xué)習(xí)的載體，巧妙利用氣球和醫(yī)用注射器，使反應(yīng)裝置密閉；用筆式酸度計(jì)測定溶液pH變化情況，酸度計(jì)讀數(shù)變化表示溶液中H+（生成物）的含量變化，解決反應(yīng)現(xiàn)象不明顯的問題；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用NaOH溶液吸收殘余氯氣，防止污染，體現(xiàn)綠色化學(xué)的思想。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 改進(jìn)原理

氯氣與水的混合體系中同時(shí)存在氯氣的溶解平衡、氯氣與水反應(yīng)的化學(xué)平衡和次氯酸的解離平衡，溶于水的部分氯氣與水發(fā)生反應(yīng)生成HCl和HClO，此時(shí)氯氣與水反應(yīng)的化學(xué)平衡與次氯酸的解離平衡同時(shí)存在且相互影響[5]。

25℃時(shí)，Ka（HClO）=2.95×10-8，根據(jù)范特霍夫方程可求得0℃時(shí)，Ka（HClO）=2.39×10-8；當(dāng)體系中溶液pH<6.0時(shí)，兩溫度下，該溶液體系中HClO的各型體分布分?jǐn)?shù)δHClO=[H+]/（[H+]+Ka）≈1， δClO-≈0，即在此狀態(tài)下可忽略HClO的解離過程，反應(yīng)生成的HClO完全以HClO分子的形式存在，溶液中[Cl-]=[HClO]，可認(rèn)為溶液中氯離子和次氯酸分子的濃度等于反應(yīng)生成的氫離子濃度。因此，筆者通過測量溶液pH便能夠得到溶液中H+濃度，并推測出反應(yīng)Cl2+H2OH++Cl-+HClO的正反應(yīng)生成物（Cl-、 HClO）的濃度。

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與裝置

2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

氯氣、蒸餾水、冰塊、氫氧化鈉溶液；250mL三頸燒瓶、1000mL燒杯、筆式酸度計(jì)、硅膠塞、一次性塑料滴管、50mL醫(yī)用注射器若干、氣球、秒表

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。三頸燒瓶三口分別用作通入氯氣（A）、插入筆式酸度計(jì)（B）、注入氫氧化鈉溶液（C）。A處用針筒通入氯氣，針頭下端插入一個(gè)一次性塑料滴管作為內(nèi)導(dǎo)管，可將氯氣直接通入蒸餾水中，使反應(yīng)物充分接觸，同時(shí)起防倒吸的作用；B口用氣球密封，通入氯氣之后，利用氣球的張力使體系內(nèi)的總壓強(qiáng)基本保持不變，為該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了一個(gè)近似恒壓的條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，C口用針筒注入NaOH溶液吸收殘余氯氣。將250mL三頸燒瓶放在1000mL大燒杯中，便于在實(shí)驗(yàn)過程中觀察燒瓶內(nèi)溶液與氣體的顏色，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)二中作為容器盛裝冰水混合物。

圖1 氯氣與水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

整個(gè)裝置簡易且完全密閉，不會造成氯氣泄漏，在課堂中既適合作為演示實(shí)驗(yàn)，又適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)一：

（1） 用針筒分別收集50mL氯氣[6]，30mL 1mol/L氫氧化鈉溶液，并將針頭扎入軟木塞中密封備用；

（2） 按圖1裝置組裝儀器，三頸燒瓶中盛100mL蒸餾水；

（3） 檢查裝置的氣密性： 用一次性醫(yī)用注射器通過三頸燒瓶的A口通入50mL空氣，通入之后一直按壓注射器不松手，發(fā)現(xiàn)B口處氣球鼓起，若2～3分鐘內(nèi)氣球不癟下去，則該裝置氣密性良好；

（4） 記下B處筆式酸度計(jì)讀數(shù)，將收集滿Cl2的針筒插在三口燒瓶A處的針頭上，迅速通入Cl2，能夠發(fā)現(xiàn)B處氣球鼓起，然后癟下去。此過程中，一位實(shí)驗(yàn)者手持秒表從通入氯氣時(shí)開始計(jì)時(shí)，觀察并報(bào)出酸度計(jì)的讀數(shù)（每秒報(bào)一次），另一位實(shí)驗(yàn)者記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制溶液的pH-t趨勢圖。

實(shí)驗(yàn)二：

（1） 在大燒杯中盛裝冰水混合物，使三頸燒瓶內(nèi)的液面完全浸入冰水中，一位實(shí)驗(yàn)者手持秒表從體系接觸冰水混合物之時(shí)開始計(jì)時(shí)，觀察并報(bào)出酸度計(jì)的讀數(shù)（每秒報(bào)一次），另一位實(shí)驗(yàn)者記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)在上述圖像中繼續(xù)繪制溶液的pH-t趨勢圖；

（2） 反應(yīng)結(jié)束后，在C處扎入盛有氫氧化鈉溶液的針筒，將NaOH溶液注入三頸燒瓶中，吸收殘余氯氣。

2.4 數(shù)據(jù)收集與處理

筆者進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)如表1、表2所示。實(shí)驗(yàn)一從通入氯氣時(shí)開始計(jì)時(shí)，在第60s開始實(shí)驗(yàn)二操作，每隔1s記錄一次酸度計(jì)的讀數(shù)，兩實(shí)驗(yàn)酸度計(jì)讀數(shù)分別記為pH-1、 pH-2，并運(yùn)用R語言統(tǒng)計(jì)軟件繪制pH-t趨勢圖如圖2所示。

裝置中A口處接一次性塑料滴管作為內(nèi)導(dǎo)管，可將氯氣直接通入水中，氯氣與水充分接觸，發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)。在通入氯氣之后，體系中該可逆反應(yīng)正反應(yīng)的反應(yīng)物濃度大于逆反應(yīng)的反應(yīng)物濃度，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，即溶液中氫離子的生成速率大于消耗速率，因此溶液pH迅速下降。從t=0s時(shí)刻起，逆反應(yīng)的反應(yīng)物濃

表1 實(shí)驗(yàn)一過程中溶液pH記錄（水起始溫度T=21℃，室溫T′=18℃）

表2 實(shí)驗(yàn)二過程中溶液pH記錄（60s時(shí)三頸燒瓶浸入冰水中，冰水T=0℃，室溫T′=18℃）

圖2 溶液pH-t趨勢圖

度逐漸升高，正反應(yīng)的反應(yīng)物濃度逐漸降低，逆反應(yīng)速率增大而正反應(yīng)速率減小，正逆反應(yīng)速率的差值逐漸減小，氫離子的生成量與消耗量的差值逐漸減小，因此，溶液中pH-t趨勢圖從t=0s時(shí)刻起先急速下降，后緩慢下降；t=15s時(shí)，正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等，溶液pH不變，可視為該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

t=60s時(shí)，將三頸燒瓶浸入冰水混合物中，由于氯氣與水的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低體系溫度，平衡正向移動，此過程中，溶液pH又呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降的趨勢；t=88s時(shí)，溶液pH再次保持不變，說明該反應(yīng)在此狀態(tài)下重新建立新的化學(xué)平衡。

當(dāng)反應(yīng)達(dá)到上述兩個(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，三頸燒瓶中均能看到未反應(yīng)的黃綠色氣體——氯氣，說明該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，反應(yīng)不能進(jìn)行到底。

3 實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)可用于有關(guān)“化學(xué)平衡”的教學(xué)中，將難以直接觀察的可逆反應(yīng)通過酸度計(jì)的讀數(shù)反映出來，根據(jù)酸度計(jì)的讀數(shù)變化規(guī)律分析該可逆反應(yīng)的反應(yīng)歷程，尋求反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的四個(gè)特征——①動： 動態(tài)平衡；②等： v（正）=v（逆）≠0；③定： 各組分含量保持不變；④變： 改變影響平衡的因素，平衡發(fā)生移動，并在該條件下建立新的平衡。

4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

4.1 裝置簡單，實(shí)驗(yàn)易操作

該實(shí)驗(yàn)用到的三頸燒瓶、針筒、酸度計(jì)、氣球、一次性塑料滴管等均為實(shí)驗(yàn)室常用儀器，可在課前搭建好，各準(zhǔn)備兩針筒氯氣（一筒備用）、兩筒氫氧化鈉溶液（一筒備用），課堂中只需將氯氣注入三頸燒瓶中即可，不受條件限制，適合一般學(xué)校課堂。

4.2 現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短

通氯氣的針頭下接一次性塑料滴管，作為導(dǎo)管直接將氯氣通入水中，使反應(yīng)物充分接觸，反應(yīng)現(xiàn)象明顯，通入氯氣后即可觀察到酸度計(jì)示數(shù)的變化，半分鐘左右pH計(jì)讀數(shù)不再變化，此過程溶液pH呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，即先迅速下降，再緩慢下降最終保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)2～3分鐘即可完成。

4.3 可做進(jìn)一步改進(jìn)

該實(shí)驗(yàn)用于探究可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的特征，是化學(xué)平衡第一課時(shí)的內(nèi)容，筆者選取筆式酸度計(jì)而未使用DIS傳感系統(tǒng)，是為了讓學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力[7]。在接下來的有關(guān)平衡移動的教學(xué)中，可繼續(xù)利用該裝置，將酸度計(jì)換成傳感探頭（H+傳感器，Cl-傳感器，Cl2傳感器，壓強(qiáng)傳感器等）可由計(jì)算機(jī)直接呈現(xiàn)出相關(guān)物理量隨時(shí)間變化的圖像。

5 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的氯氣與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，裝配簡單，操作方便，現(xiàn)象明顯，且實(shí)驗(yàn)過程中不會造成氯氣泄漏，綠色安全。將其用于有關(guān)“化學(xué)平衡”的教學(xué)中，對教材中很難用實(shí)驗(yàn)表征的知

識內(nèi)容加以補(bǔ)充，拓展了教材的思想與內(nèi)涵，突出了實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)作用。學(xué)生在此過程中觀察、搜集證據(jù)，基于證據(jù)建立坐標(biāo)圖像模型，由此分析可逆反應(yīng)的反應(yīng)歷程，參與尋求特征與概念的形成，在完成知識目標(biāo)的同時(shí)，培養(yǎng)搜集證據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)的能力，促進(jìn)自身“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”[8]等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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