氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

◇ 許美蓮 夏加亮

1 問(wèn)題提出

氯氣作為鹵素的代表，其制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一．氯氣的演示實(shí)驗(yàn)地位十分重要，但卻因氯氣有毒，導(dǎo)致師生對(duì)氯氣心生畏懼．再者，根據(jù)教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行演示，用MnO2與濃鹽酸混合加熱制氯氣，能源消耗大而且氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)分多步、多裝置進(jìn)行[至少需要8瓶氯氣(共約1200 mL)]，不僅實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，操作復(fù)雜，耗氯氣量大，浪費(fèi)藥品嚴(yán)重，還需要多次打開(kāi)集氣瓶的蓋玻片，導(dǎo)致氯氣外泄，污染大，危害師生健康．在教授這節(jié)內(nèi)容時(shí)，很多教師就直接放棄實(shí)驗(yàn)，改為黑板實(shí)驗(yàn)或視頻實(shí)驗(yàn)．

2 研究現(xiàn)狀

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置方面

多數(shù)是微型實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)度低，有的實(shí)驗(yàn)需要使用的儀器多，組裝煩瑣又有難度，有的性質(zhì)檢驗(yàn)類實(shí)驗(yàn)偏少，有的沒(méi)有防倒吸措施，有的反應(yīng)后裝置內(nèi)殘留氯氣的處理方法未提及；有些分段實(shí)驗(yàn)，所用器材較多、操作頻繁、耗時(shí)長(zhǎng)，每步都要用注射器，甚至需用一支注射器向另一支注射器取氯氣，有易扎傷的危險(xiǎn)，學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有安全感．

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面

排除干擾是物質(zhì)檢驗(yàn)成功的關(guān)鍵，如果不排除混在氯氣中的氯化氫氣體，這樣檢驗(yàn)氯氣與水反應(yīng)是否產(chǎn)生H＋和Cl－的方法是無(wú)效的；多數(shù)實(shí)驗(yàn)不干燥氯氣，用干、濕試紙做對(duì)比研究也無(wú)效；有的不檢驗(yàn)Cl－；有的不檢驗(yàn)氯氣是否有漂白性；有的實(shí)驗(yàn)在檢驗(yàn)氯水中的Cl－時(shí)，滴加AgNO3溶液后滴加稀硝酸，但這是不必要的，因?yàn)樵谏弦徊綄?shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)了氯水呈酸性．

筆者經(jīng)過(guò)研究教材和大量文獻(xiàn)，結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)、反復(fù)修改，用常規(guī)儀器設(shè)計(jì)出氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，能彌補(bǔ)以上不足，適合課堂演示．

3 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及用品

3.1 儀器

250mL集氣瓶(1個(gè))、細(xì)鐵絲(3根)、相應(yīng)規(guī)格的膠塞(7個(gè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置選擇大小和打孔)、具支試管(2cm×20cm1支，1．5cm×15cm2支)；硬質(zhì)玻璃管(1支)、一次性注射器(10mL、30mL、50mL各1支)、大功率激光筆(1支，2 W)等．

3.2 試劑及用品

KMnO4固體、濃鹽酸、紫色石蕊試液、酚酞-NaOH溶 液、淀 粉-KI溶 液、NaBr溶 液、AgNO3溶液、金屬鈉、蒸餾水、無(wú)水CaCl2、NaOH濃溶液、紅色紙條、海綿薄片、棉花、石棉絨、橡皮筋．

4 實(shí)驗(yàn)幾點(diǎn)說(shuō)明

1)課前準(zhǔn)備:取3根長(zhǎng)度分別是6cm、7cm、8cm的細(xì)鐵絲，插在6號(hào)膠塞上，8cm長(zhǎng)的鐵絲插中間，上端分開(kāi)形成樹(shù)形，將兩小片紅色紙條穿插在8cm長(zhǎng)的鐵絲上端，另兩根鐵絲上各套上兩個(gè)棉花團(tuán)(見(jiàn)圖1)．

圖1

2)選用固體干燥劑和硬質(zhì)玻璃管作干燥裝置，目的是減少使用橡皮管連接儀器，使裝置更簡(jiǎn)便、穩(wěn)固，以省去夾持儀器．用海綿薄片堵住硬質(zhì)玻璃管兩頭防止無(wú)水CaCl2進(jìn)入導(dǎo)管．

3)這里用蒸餾水替代飽和食鹽水除去混在氯氣中的氯化氫氣體，目的不僅是除雜，還可探究氯氣的水溶性和制備氯水，且這里水量少，耗氯氣不多．但課堂演示時(shí)要給學(xué)生講清楚:一般情況下是使用飽和食鹽水除氯氣中的氯化氫氣體．

4)見(jiàn)圖2，實(shí)驗(yàn)操作前先給集氣瓶外的儀器填充試劑并連接好，再給“花樹(shù)”滴加試劑．把“花樹(shù)”放入集氣瓶后迅速用大膠塞塞緊集氣瓶口，立即產(chǎn)生氯氣．需防止“花樹(shù)”在集氣瓶?jī)?nèi)時(shí)間太長(zhǎng)，各試劑水分蒸發(fā)使干燥紅色紙條變潮濕．

5 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象分析

1)檢查圖2裝置氣密性．向上拉注射器的活塞一段距離，松開(kāi)，若注射器活塞又回歸原位，說(shuō)明裝置氣密性良好．

2)用注射器吸入8mL濃鹽酸，左、中、右三支具支試管分別裝5mL蒸餾水、1．5gKMnO4、用石棉絨墊著的綠豆大小金屬鈉，硬質(zhì)玻璃管填滿無(wú)水CaCl2，氣球內(nèi)注入NaOH濃溶液，組裝好這部分儀器．

圖2

3)滴加相應(yīng)試劑制成“花樹(shù)”，再將盛有AgNO3溶液的小燒杯放在插“花樹(shù)”的6號(hào)膠塞上．

4)用鑷子夾起“花樹(shù)”中間這根鐵絲，連同小燒杯、“花樹(shù)”和6號(hào)膠塞一起放入集氣瓶中．按圖2所示連接好實(shí)驗(yàn)裝置．

5)用力向下輕輕推注射器活栓，使?jié)恹}酸慢慢滴入盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內(nèi)，反應(yīng)立即進(jìn)行，觀察到黃綠色氣體產(chǎn)生．

6)觀察左側(cè)具支試管內(nèi)的現(xiàn)象．蒸餾水由無(wú)色變黃綠色，推理氯氣能溶于水，根據(jù)氯化氫極易溶于水的性質(zhì)推斷混在氯氣中的氯化氫氣體能被水除去，氯氣經(jīng)無(wú)水CaCl2干燥后進(jìn)入集氣瓶．

7)觀察集氣瓶?jī)?nèi)的現(xiàn)象:當(dāng)黃綠色氣體緩緩從集氣瓶底部往上飄時(shí)，各反應(yīng)現(xiàn)象漸漸出現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生邊觀察邊分析邊推理．

a)滴有淀粉-KI溶液的棉花團(tuán)變藍(lán)色，滴有溴化鈉的棉花團(tuán)變橙黃色，說(shuō)明氯氣分別與KI、NaBr反應(yīng)生成Br2和I2，且氯氣的氧化性比Br2、I2強(qiáng)；b)干燥的紅色紙條不褪色，濕潤(rùn)的紙條紅色褪去，證實(shí)氯氣沒(méi)有漂白性，推理氯氣與水反應(yīng)生成有漂白性的次氯酸；c)紫色石蕊試液先變紅后褪色，AgNO3溶液中出現(xiàn)白色沉淀，說(shuō)明氯氣與水反應(yīng)生成了氫離子、次氯酸和氯離子，結(jié)合上面的氯水呈黃綠色，進(jìn)行以下邏輯推理:氯氣能與水反應(yīng)→反應(yīng)后溶液仍然顯黃綠色→溶液中還存在氯氣→氯氣與水反應(yīng)不完全→反應(yīng)是可逆的→書寫氯氣與水反應(yīng)的方程式時(shí)用可逆號(hào)；d)滴有酚酞的氫氧化鈉溶液紅色褪去，說(shuō)明氯氣能跟氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)；e)氯氣從集氣瓶?jī)?nèi)的長(zhǎng)導(dǎo)管進(jìn)、短導(dǎo)管出，推理氯氣的密度比空氣大．

8)觀察右側(cè)具支試管內(nèi)的現(xiàn)象:當(dāng)右側(cè)具支試管內(nèi)有淡淡的黃綠色氯氣時(shí)，用激光筆照射金屬鈉，鈉在氯氣中立即燃燒，發(fā)出黃色火焰，生成大量白煙．說(shuō)明氯氣有較強(qiáng)的氧化性，且燃燒不一定要有氧氣參加．

9)反應(yīng)結(jié)束后，用注射器向集氣瓶中注入30mL NaOH濃溶液，然后拔出裝濃鹽酸的注射器，換上裝有空氣的50mL注射器，將空氣壓入中間一支具支試管(多次壓入空氣)，使裝置內(nèi)多余的氯氣被集氣瓶和氣球內(nèi)NaOH濃溶液全部吸收．

10)為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性，探究過(guò)程中可增設(shè)3個(gè)實(shí)驗(yàn)．

a)紅紙上滴加稀鹽酸，以證實(shí)鹽酸沒(méi)有漂白性；b)裝置中殘留的氯氣被全部吸收后取出集氣瓶?jī)?nèi)褪色的紙條加熱，顏色不復(fù)原，說(shuō)明次氯酸的漂白是不可逆的；c)取少量氯水于試管中并加熱，可觀察到氯水顏色逐漸變淡，最后變無(wú)色，再滴加紫色石蕊試液，溶液變紅后不褪色，說(shuō)明次氯酸不穩(wěn)定已分解．

6 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

6.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富全面

該實(shí)驗(yàn)以獨(dú)特的方式完成“制氣體→除雜→干燥→性質(zhì)及產(chǎn)物檢驗(yàn)→尾氣處理”全過(guò)程，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富全面，增強(qiáng)了知識(shí)之間的相互聯(lián)系，利于學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系，提升“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)．

6.2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便美觀

1)主要利用注射器、具支試管、集氣瓶等常規(guī)儀器，實(shí)驗(yàn)所需儀器種類少，體現(xiàn)出“一物多用，物盡其用”的理念．

2)不需要用到夾持儀器，完全靠一個(gè)集氣瓶支撐整套裝置，裝置簡(jiǎn)便、穩(wěn)固，教師可把整套裝置拿在手上，在教室內(nèi)走一圈，以便學(xué)生觀察，加強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)．

3)注射器與氣球的巧妙組合起到很好的平衡壓強(qiáng)作用，確保實(shí)驗(yàn)的安全性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)．

4)三支長(zhǎng)度不等的鐵絲，做成有錯(cuò)落感的“樹(shù)枝”，把實(shí)驗(yàn)裝置做成“花樹(shù)”，簡(jiǎn)單美觀，一套實(shí)驗(yàn)裝置就是一件美麗的藝術(shù)品展示在學(xué)生眼前，可以讓學(xué)生感受到化學(xué)之美．

5)實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新、全封閉、無(wú)污染，充分體現(xiàn)綠色化學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科素養(yǎng)．

6.3 實(shí)驗(yàn)藥品微量節(jié)省

紫色石蕊試液、酚酞-NaOH溶液、淀粉-KI溶液、NaBr溶液都只是各用1滴，其他試劑用量也很少，一次性完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)，共耗氯氣不到300mL，不到教材中實(shí)驗(yàn)方案的氯氣總量的，原料利用率高．

6.4 實(shí)驗(yàn)操作安全可控

通過(guò)控制濃鹽酸滴下的速度來(lái)控制產(chǎn)生氯氣的速率，便于學(xué)生觀察．從氣體制備到性質(zhì)探究的實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，操作步驟少、簡(jiǎn)單安全，反應(yīng)可控又省時(shí)間．

6.5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯

該實(shí)驗(yàn)使用微型實(shí)驗(yàn)的藥品量，達(dá)到常規(guī)實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度，現(xiàn)象足夠明顯．當(dāng)學(xué)生看到“花樹(shù)”逐漸變色時(shí)，都被眼前的奇觀震撼，驚嘆不已，讓學(xué)生感受到化學(xué)之妙，見(jiàn)圖3、圖4、圖5．

圖3

圖4

圖5

6.6 實(shí)驗(yàn)效果育人深遠(yuǎn)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的特點(diǎn)就是引導(dǎo)學(xué)生邊觀察、邊分析、邊進(jìn)行邏輯推理，整合完整的知識(shí)體系，自主構(gòu)建知識(shí)模型(代表作見(jiàn)圖6)，讓學(xué)生明白化學(xué)之理，提高“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活高效、節(jié)能環(huán)保，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教育功能，踐行“立德樹(shù)人”的教育理念，對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)影響是深遠(yuǎn)的．

圖6

7 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以全新的思維方式設(shè)計(jì)，突出化學(xué)之美、化學(xué)之妙與化學(xué)之理．與教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比較，該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有“四省一不一可見(jiàn)”的優(yōu)點(diǎn):省藥品、省時(shí)間、省能源、省儀器、不污染、可見(jiàn)度高．全方位培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，需要教師在研究教材、文獻(xiàn)和試驗(yàn)、修改實(shí)驗(yàn)方案中提高實(shí)驗(yàn)功底和專業(yè)水平．