銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)一體化綠色化設(shè)計(jì)

孫志君

摘要：銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)過程中存在一些不足，文章分析介紹了已有改進(jìn)方法并提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)介紹改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯、安全性高，簡化了氯氣制備及其實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)氯氣制備實(shí)驗(yàn)與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化綠色化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：銅;氯氣;燃燒;一體化;綠色化

文章編號(hào)：1008-0546（ 2019） 07-0094-02

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.029

一、問題的提出

在現(xiàn)行教材中，銅與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)。教材中介紹的實(shí)驗(yàn)方法雖然現(xiàn)象明顯，能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但在?shí)際操作過程中存在一些不足：1.需要先組裝一套復(fù)雜的氯氣制備裝置，提前制備氯氣，在氯氣制備及收集過程容易造成氯氣外逸，污染環(huán)境;2.事先在集氣瓶中收集氯氣并加蓋玻璃片儲(chǔ)存仍易造成氯氣外泄致使集氣瓶中氯氣的量不足造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯;3.實(shí)驗(yàn)過程中需要先加熱銅絲再伸入集氣瓶中，易造成刺激性氣味的氯氣逸出污染空氣，且銅絲加熱溫度不夠高也易造成實(shí)驗(yàn)失敗;4.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后清洗儀器時(shí)仍存在未反應(yīng)的氯氣擴(kuò)散。這些不足使學(xué)生教師對(duì)氯氣實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生畏懼感，特別是實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)結(jié)束經(jīng)常身體不適。為實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)驗(yàn)效果且不污染環(huán)境影響師生健康，筆者對(duì)銅在氯氣中的燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一體化綠色化改進(jìn)，既可克服教材中實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，又能收到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

二、實(shí)驗(yàn)研究

1.研究現(xiàn)狀

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)已有研究者進(jìn)行過改進(jìn)。

劉濤老師[1]使用抽濾瓶作為一體化實(shí)驗(yàn)裝置，如圖l所示，用注射器添加液體藥品，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置大大簡化，但鐵絲先加熱再伸入抽濾瓶中存在一定局限，鐵絲無法長時(shí)間保持紅熱狀態(tài)，影響實(shí)驗(yàn)效果。

王培明老師[2]在蒸餾瓶內(nèi)對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行較好改進(jìn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，避免了氯氣的外泄，裝置如圖2所示，但該實(shí)驗(yàn)需將小試管固定于蒸餾瓶內(nèi)部，組裝時(shí)存在一定難度;且將銅絲置于蒸餾瓶底部用酒精燈直接加熱，易造成燒瓶破裂。

李耀軍老師[3]再次改進(jìn)銅絲加熱方式，裝置如圖3所示，通過通電加熱銅絲，加熱方式環(huán)保無潛在風(fēng)險(xiǎn)，裝置簡易，操作易行，但整體實(shí)驗(yàn)在封閉的青霉素瓶中進(jìn)行，空間較小，不利于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

縱觀上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，一線教師們做了許多創(chuàng)新又實(shí)用的研究，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提供了寶貴的學(xué)習(xí)思路和借鑒方向。但筆者發(fā)現(xiàn)有些改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置仍然較復(fù)雜，操作并不簡單，且存在一定潛在危險(xiǎn);有些改進(jìn)后的裝置空間太小，不利于演示時(shí)學(xué)生清楚的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。筆者希望經(jīng)過改進(jìn)后的裝置可以清楚地讓學(xué)生觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)到教學(xué)效果;同時(shí)又要裝置簡單，能集氯氣制備、儲(chǔ)存、反應(yīng)和產(chǎn)物驗(yàn)證于一體，便于教師操作。

三、實(shí)驗(yàn)探究

1.實(shí)驗(yàn)用品

球形分液漏斗（50mL）I個(gè)，集氣瓶（250mL）1個(gè)，橡膠塞1個(gè)，XH- RB3825小型高溫加熱棒（3.8×25mm）l根，銅絲1根，橡膠管2根，直角玻璃導(dǎo)管2根，普通漏斗（60mL）1個(gè)，燒杯（250mL）1個(gè)，J1202高中學(xué)生電源1個(gè)，電線2根，鱷魚夾2個(gè)。

濃鹽酸，氯酸鉀，Imol/L氫氧化鈉溶液。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4、圖5所示。

3.組裝裝置

（1）固定銅絲

加熱棒結(jié)構(gòu)如圖6所示，取銅絲用砂紙稍作打磨后彎曲成螺旋狀纏繞在加熱棒發(fā)熱區(qū)。

（2）組裝橡膠塞

在橡膠塞上打三個(gè)小孔，將加熱棒支撐區(qū)固定于橡膠塞中央，纏繞的銅絲置于橡膠塞下方位置，引線置于橡膠塞上方便于連接電源的位置，兩邊再分別裝上直角玻璃導(dǎo)管及球形分液漏斗（如圖7所示）。

4.操作方法及現(xiàn)象

（1）在集氣瓶底部加入1藥匙（約1.2g）氯酸鉀，固定好組裝后的橡膠塞。

（2）兩根電線的一端分別連接鱷魚夾，另一端連接加熱棒引線;高中學(xué)生電源開關(guān)關(guān)閉，輸出電壓調(diào)至交流16V，正負(fù)極分別連接鱷魚夾。

（3）大燒杯中加入少量Imol/L氫氧化鈉溶液，用橡膠管連接直角玻璃導(dǎo)管與普通漏斗，使普通漏斗倒置于氫氧化鈉溶液上方。

（4）分液漏斗中加入2滴管（約2mL）濃鹽酸。打開分液漏斗開關(guān)，濃鹽酸立即與氯酸鉀反應(yīng)生成氯氣（KCl03+6HCl= KCl+3Cl2↑+3H2O），集氣瓶中可觀察到黃綠色氯氣產(chǎn)生，濃鹽酸加完后關(guān)閉分液漏斗開關(guān)。

（5）待黃綠色氣體充滿集氣瓶后，打開學(xué)生電源開關(guān)，加熱棒發(fā)熱區(qū)加熱銅絲，2-5秒后可觀察到銅在氯氣中劇烈燃燒（Cu+CI2 點(diǎn)燃 uCl2），

（6）產(chǎn)生棕黃色的煙，此時(shí)斷開學(xué)生電源開關(guān)。

（7）反應(yīng)結(jié)束后往分液漏斗中加入約20mL氫氧化鈉溶液，打開分液漏斗開關(guān)，氫氧化鈉與燃燒產(chǎn)物反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀。

5.本實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）整個(gè)實(shí)驗(yàn)在封閉環(huán)境中進(jìn)行，倒置的漏斗可防倒吸并調(diào)節(jié)集氣瓶內(nèi)外壓，燒杯中的氫氧化鈉溶液可吸收未反應(yīng)完的氯氣，多余的氯氣不外逸，對(duì)周圍環(huán)境無污染，符合綠色化學(xué)理念。

（2）裝置簡單，無需提前制備氯氣，實(shí)現(xiàn)氯氣制備實(shí)驗(yàn)與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化，操作方便。

（3）實(shí)驗(yàn)利用小型高溫加熱棒快速加熱，加熱區(qū)位于集氣瓶內(nèi)部，不會(huì)誤碰燙傷，并且加熱效果好，很快觀察到棕黃色煙生成，不會(huì)出現(xiàn)原實(shí)驗(yàn)中用酒精燈加熱銅絲再轉(zhuǎn)移至集氣瓶中，溫度降低難以點(diǎn)燃的情況，有利于提高課堂演示實(shí)驗(yàn)成功率，節(jié)約教學(xué)時(shí)間，提高教學(xué)效果。

（4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能清楚地觀察到氯氣的黃綠色，清楚地看到加熱后的銅絲在氯氣中劇烈燃燒產(chǎn)生棕黃色濃煙的現(xiàn)象，將銅絲換成鐵絲也可完成鐵與氯氣反應(yīng)的拓展實(shí)驗(yàn)。

（5）實(shí)驗(yàn)藥品用量少、可操作性強(qiáng)、重復(fù)性高、安全可靠，適用于課堂演示，有條件的學(xué)校也可人手一套進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

（6）反應(yīng)產(chǎn)物檢驗(yàn)方便，可以通過分液漏斗添加藥品檢驗(yàn)產(chǎn)物，增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論的說服力。

6.注意事項(xiàng)

（1）使用氯酸鉀粉末效果更佳。

（2）組裝橡膠塞時(shí)加熱棒加熱區(qū)盡量遠(yuǎn)離橡膠塞。

（3）濃鹽酸加完后立即關(guān)閉分液漏斗開關(guān)，避免氯氣逸出。

（4）待氯氣充滿集氣瓶后再打開電源開關(guān)，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

參考文獻(xiàn)

[1]劉濤，鐵與銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014（6）：27

[2]王培明，齊俊林.銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2013（10）：50-51

[3]李耀軍，銅在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教與學(xué)，2017（6）：93