次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

袁君亞

摘要： 分析次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的不足和研究現(xiàn)狀，利用雙翼試管設(shè)計(jì)次氯酸漂白作用實(shí)驗(yàn)的新裝置。經(jīng)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，新裝置集氯氣制備、干燥、漂白、尾氣處理于一體，使實(shí)驗(yàn)具有試劑微量化、操作簡(jiǎn)便化、反應(yīng)同步化以及密封可控、環(huán)保安全、易推廣等優(yōu)點(diǎn)。利用該裝置還可推廣應(yīng)用于其他若干化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 雙翼試管; 次氯酸漂白作用; 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2020）05006505

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

雙翼試管是在普通試管兩側(cè)加上兩個(gè)對(duì)稱的小試管，形似飛機(jī)雙翼的一種玻璃儀器。三個(gè)試管相互獨(dú)立，氣體相通，可進(jìn)行單個(gè)反應(yīng)，也可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或三個(gè)反應(yīng)，適用于固固反應(yīng)、固液反應(yīng)、液液反應(yīng)，加熱或不加熱均可以，美觀方便，適合教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，更方便設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。次氯酸漂白作用的探究是氯氣性質(zhì)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，在課堂演示時(shí)需要制備干燥氯氣，裝置復(fù)雜，耗時(shí)比較長(zhǎng)，同時(shí)氯氣容易逸散。筆者嘗試?yán)秒p翼試管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，使試劑耗量少，反應(yīng)時(shí)間短，無(wú)氯氣逸散且操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比更加鮮明。

1 問(wèn)題的提出

1.1 教材實(shí)驗(yàn)裝置分析

蘇教版《化學(xué)1》第43頁(yè)實(shí)驗(yàn)1： 將干燥的有色布條和濕潤(rùn)的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中[1]，觀察現(xiàn)象。首先，教材設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，能培養(yǎng)學(xué)生仔細(xì)觀察、積極探究的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑢?duì)二氧化硫漂白作用的學(xué)習(xí)有鋪墊和對(duì)比作用;其次，能引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，分析證據(jù)和推理論證。

但在實(shí)際教學(xué)中，還存在一些需要改進(jìn)的地方。

（1） 氯氣準(zhǔn)備： 實(shí)驗(yàn)需要事先準(zhǔn)備干燥的氯氣，而氯氣的制備需要在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，我校是一所普通的農(nóng)村高中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)落后，通風(fēng)設(shè)備陳舊，只能將該實(shí)驗(yàn)改成演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，或以視頻來(lái)代替。為避免氯氣制備的繁瑣，也有教師在課前預(yù)先制得干燥氯氣，帶進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)?？傊搶?shí)驗(yàn)對(duì)通風(fēng)要求較高，使學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)受到一定的限制。

（2） 儀器組裝： 包括氯氣的制備、氯氣的干燥和收集、次氯酸的漂白和尾氣的處理，裝置復(fù)雜，組裝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課時(shí)緊張。

（3） 尾氣處理： 教材中明確用氫氧化鈉溶液吸收多余的氯氣，但實(shí)驗(yàn)結(jié)束后殘留在裝置和集氣瓶中的氯氣無(wú)法被氫氧化鈉溶液完全吸收。

（4） 氯氣濃度： 對(duì)照實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)集氣瓶中進(jìn)行，是兩個(gè)獨(dú)立的體系，不能保證氯氣濃度完全相同，忽視了對(duì)照實(shí)驗(yàn)中氯氣濃度對(duì)反應(yīng)的影響。

1.2 研究現(xiàn)狀及分析

近年來(lái)，一線教師不斷對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，取得了一定的成效。例如，有從簡(jiǎn)化裝置、減少藥品用量考慮的（見(jiàn)圖1）[2];有從氯氣制備到氯氣漂白、吸收一體化，減少尾氣釋放考慮的（見(jiàn)圖2）[3]，但兩者均沒(méi)有干燥氯氣，忽視了水蒸氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響;有從解決裝置的繁瑣和環(huán)境污染問(wèn)題著手，設(shè)計(jì)在密閉的裝置里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但忽略了U型管一側(cè)有海綿墊層干燥劑導(dǎo)致兩側(cè)氯氣濃度不一致，且若使用鮮花花瓣，雖然左側(cè)支管氯氣是干燥的，但花瓣中含有水分，一段時(shí)間后花瓣仍會(huì)褪色，若使用干花花瓣，右側(cè)支管花瓣褪色時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（見(jiàn)圖3）[4];有從操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)趣味性、干燥氯氣等考慮，但步驟不算簡(jiǎn)便，裝置不夠簡(jiǎn)化，蘸水寫(xiě)字容易模糊，水蒸氣蒸發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)也有一定的干擾（見(jiàn)圖4）[5]。上述實(shí)驗(yàn)雖然有不少缺陷，但其設(shè)計(jì)思路和發(fā)散性思維，為后續(xù)研究提供了學(xué)習(xí)資源和借鑒。

1.3 裝置改進(jìn)的設(shè)想

確定本次實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原則是裝置要密封、藥品用量要少、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、氯氣要干燥且濃度相同、對(duì)照現(xiàn)象須明顯、操作要更簡(jiǎn)便、反應(yīng)時(shí)間要更短。

2 裝置的改進(jìn)

2.1 初次改進(jìn)

為保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)中氯氣濃度相同，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了初步改進(jìn)（見(jiàn)圖5）。

改進(jìn)裝置堅(jiān)持藥品少量的原則，由2個(gè)小藥瓶、2個(gè)小試管和1個(gè)小注射器等組成。1個(gè)小藥瓶底部為少量高錳酸鉀固體，代替二氧化錳可以快速制取氯氣，小注射器中有少量濃鹽酸;另一個(gè)小藥瓶盛有適量濃硫酸。兩個(gè)小試管分別裝有干燥的紅色紙條和濕潤(rùn)的紅色紙條（為縮短反應(yīng)時(shí)間，用吸水性更好的紅色皺紋紙代替紅色紙條），小試管導(dǎo)管口塞上浸有1mol·L-1 NaOH溶液的棉花團(tuán)。利用該裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)，可以觀察到小試管中濕潤(rùn)的紅色紙條很快褪色，干燥的紅色紙條無(wú)明顯變化。

該裝置取材方便，組裝簡(jiǎn)單，能保證兩個(gè)小試管的氯氣濃度相同，但氯氣制備、濃硫酸干燥、次氯酸漂白實(shí)驗(yàn)分別在不同裝置中進(jìn)行。盡管濃鹽酸只使用了幾滴，但裝置中還是有殘留的氯氣，無(wú)法用NaOH溶液吸收干凈。

2.2 查閱資料

查閱文獻(xiàn)得知，實(shí)驗(yàn)室若要得到干燥氯氣常常用濃硫酸作吸水劑。目前氯堿工業(yè)中氯氣常用濃硫酸干燥，但干燥工藝比較復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制進(jìn)塔氯氣冷卻溫度、出塔硫酸濃度、進(jìn)塔硫酸濃度和溫度以及出塔氯氣溫度等工藝參數(shù)，同時(shí)選用效率較高的除霧過(guò)濾技術(shù)[6]。

呂華等人在“干氯氣中微量水分的分析方法探討”一文中提出用分析純五氧化二磷作水吸收劑[7];李海燕在“新課標(biāo)下的氯氣漂白性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”一文中采用無(wú)水氯化鈣作干燥劑[8]。

綜上所述，濃硫酸、無(wú)水氯化鈣、五氧化二磷等均可以干燥氯氣。無(wú)水氯化鈣為白色顆粒狀固體，因其干燥能力強(qiáng)、干燥速度快、使用更方便而被廣泛使用，一般用以填充干燥器、干燥塔以及干燥藥品和多種氣體。本實(shí)驗(yàn)中的少量氯氣采用無(wú)水氯化鈣來(lái)干燥。

2.3 再次改進(jìn)

能否找到更簡(jiǎn)化的裝置，將氯氣的制備、干燥和次氯酸的漂白性實(shí)驗(yàn)在同一裝置中完成？筆者受一線教師在化學(xué)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中使用的特殊形狀的儀器的啟發(fā)，如W形管、V形管、Y形管等，在淘寶網(wǎng)站上定制了雙翼試管（見(jiàn)圖6）。中間大試管外徑為25mm，長(zhǎng)度為160mm，離大試管口50mm處的小試管外徑為20mm，長(zhǎng)度為60mm，與大試管夾角為45°。大試管用于制備氯氣，兩側(cè)小試管用于盛放干燥紅色紙條和濕潤(rùn)紅色紙條，將氯氣的制備和次氯酸漂白實(shí)驗(yàn)合二為一。若需要向兩側(cè)小試管滴加液體，可以使用一支配套的彎頭滴管（見(jiàn)圖7），十分方便。為進(jìn)一步減少試劑的用量，用膠頭滴管代替小注射器。考慮到氯氣產(chǎn)生時(shí)裝置內(nèi)壓強(qiáng)增大，橡皮塞容易彈開(kāi)，在橡皮塞上插入一支帶有針頭的10mL注射器，既可以平衡氣壓，又可以收集多余的氯氣。為確保進(jìn)入小試管的是干燥氯氣且氯氣濃度相同，在大試管下部，高錳酸鉀上方加一個(gè)多孔塑料片，上面放置用疏松棉花包裹的無(wú)水氯化鈣干燥劑。

用再次改進(jìn)的裝置反復(fù)實(shí)驗(yàn)，效果明顯，操作簡(jiǎn)單，滴入濃鹽酸15秒左右，濕潤(rùn)的紅色紙條開(kāi)始褪色，干燥的紅色紙條不褪色。1小時(shí)后，干燥的紅色紙條仍然不褪色（使用前雙翼試管須干燥，避免雙翼試管中水蒸氣干擾實(shí)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比十分明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用注射器抽取裝置中殘留氯氣，推入1mol·L-1氫氧化鈉溶液中吸收，但最后拆除裝置時(shí)，仍能聞到少量氯的氣味，顯然氯氣處理仍沒(méi)有徹底。

2.4 第三次改進(jìn)

僅僅用注射器抽取還不能將殘留的氯氣全部從裝置中完全除盡，能否將氫氧化鈉溶液直接注入裝置中吸收氯氣？筆者利用針頭和注射器連接的靈活性，在反應(yīng)結(jié)束抽取余氯后，迅速換成盛有氫氧化鈉溶液的注射器，可是大試管中的無(wú)水氯化鈣干燥劑仍阻隔其中。經(jīng)嘗試，把無(wú)水氯化鈣顆粒分成等質(zhì)量的兩份，用疏松棉花包裹成大小相同的形狀，用彎頭鑷子慢慢塞到兩側(cè)小試管上部，不僅保證兩個(gè)小試管中氯氣干燥，濃度相等，也順利將氫氧化鈉溶液注入裝置中吸收殘留的氯氣（見(jiàn)圖8）。

3 實(shí)驗(yàn)儀器及操作步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器與試劑見(jiàn)表1。

3.2 操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。

（2） 在干燥的雙翼試管左右兩側(cè)小試管中分別加入大小合適的干燥的紅色皺紋紙，將其中一個(gè)紅色皺紋紙用水潤(rùn)濕。

（3） 兩側(cè)小試管上部各塞一小團(tuán)包裹有質(zhì)量相同的無(wú)水氯化鈣的疏松棉花團(tuán)。

（4） 用藥匙取少量高錳酸鉀晶體加入中間的試管中，將雙翼試管固定在鐵架臺(tái)上，用膠頭滴管吸取少量（約0.5mL）濃鹽酸，塞緊橡皮塞，連接好注射器。

（5） 從膠頭滴管中滴入濃鹽酸。

3.3 尾氣處理

反應(yīng)結(jié)束后，用注射器抽取容器內(nèi)殘留氯氣，拔下注射器，迅速接上裝有5mL 1mol·L-1的NaOH溶液的注射器，將堿液全推入反應(yīng)容器中，輕輕振蕩，直至完全吸收殘留氯氣。拔下有氯氣的注射器放入盛有1mol·L-1NaOH溶液的燒杯中，慢慢吸進(jìn)堿液除去氯氣。最后拆除裝置，雙翼試管中殘留藥品倒入指定容器中。

4 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 一體化。將氯氣的制取、干燥、次氯酸漂白、尾氣處理在同一裝置中進(jìn)行，一氣呵成，反應(yīng)連續(xù)性好。

（2） 簡(jiǎn)便化。操作簡(jiǎn)單，無(wú)需收集氯氣，現(xiàn)象明顯，靈活簡(jiǎn)便，操作省時(shí)，從制備氯氣開(kāi)始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束不到1分鐘，適合學(xué)生開(kāi)展探究實(shí)驗(yàn)和課堂演示實(shí)驗(yàn)。

（3） 同步化。氯氣與干燥有色紙條和潮濕有色紙條的反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，次氯酸漂白作用對(duì)比現(xiàn)象明顯，可操作性強(qiáng)。

（4） 試劑微量化。裝置小巧便攜，整個(gè)實(shí)驗(yàn)僅消耗少量的各種試劑（高錳酸鉀和濃鹽酸為幾粒或幾滴），節(jié)約了成本[9]。

（5） 裝置全封閉。密閉可控，余氯吸收完全，不污染教室空氣，較安全環(huán)保。

（6） 儀器成本低。只需加工一個(gè)雙翼試管和一把彎頭鑷子，就可完成探究次氯酸漂白作用的實(shí)驗(yàn)，適宜在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中推廣。

5 雙翼試管在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的拓展應(yīng)用

在高中化學(xué)中，還有很多實(shí)驗(yàn)可以利用雙翼試管進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)表2。

參考文獻(xiàn)：

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