氯氣制取及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究

冼婷 黃先蘭

摘要：氯氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)課堂中難以開(kāi)展原因是其安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、防泄漏的實(shí)驗(yàn)裝置是解決問(wèn)題的必要措施。作者就氯氣制取原理的選擇和幾組氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)兩大方面提出自己的改進(jìn)想法和成果。

關(guān)鍵詞：氯氣;安全;制取;性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2020）10-0093-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.025

氯氣的性質(zhì)及應(yīng)用是元素化合物知識(shí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也非常豐富。但由于氯氣的毒性使得很多教師不敢在無(wú)通風(fēng)櫥的教室中進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，甚至演示實(shí)驗(yàn)也望而卻步。故很多一線教師為了更安全、便捷地進(jìn)行氯氣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)氯氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，已有不少研究成果。筆者也對(duì)這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提出自己的改進(jìn)方案。

一、氯氣制取原理

教材中所介紹的實(shí)驗(yàn)室制取氯氣原理為：

MnO2+4HCl（濃）=MnCl2+Cl↑ +2H2O

很多研究者為了減少加熱這一繁瑣操作，選擇的制取原理可能有下面幾種： 原理（1）使用高錳酸鉀反應(yīng)速率很快，但放熱量大，筆者實(shí)驗(yàn)時(shí)能聽(tīng)到響聲，反應(yīng)完后玻璃容器上會(huì)沾有黑色殘留物難清洗。原理（2）由于+5價(jià)與-1價(jià)間氯元素價(jià)態(tài)較多，可能生成同樣是黃綠色的易爆炸氣體ClO2[6]從而使實(shí)驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)和安全。原理（3）用84消毒液貼切生活，但其刺激性也比較強(qiáng)，不適合在無(wú)通風(fēng)櫥環(huán)境下進(jìn)行。原理（3）（4）所需鹽酸可用潔廁靈代替可見(jiàn)稀鹽酸也能發(fā)生反應(yīng)，可避免使用濃鹽酸減少刺激性氣味，筆者的嘗試看來(lái)不推薦用潔廁靈代替稀鹽酸，因?yàn)槠渲泻斜砻婊钚詣?huì)產(chǎn)生較多泡沫，并且也具有一定刺激性氣味。雖然這些原理與教材中原理相比不需要加熱操作，看似更加便捷，但反應(yīng)物一接觸馬上反應(yīng)，故難以控制，對(duì)密閉操作、防泄漏要求就更高些。所以制取原理各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的需求和裝置特點(diǎn)選擇。筆者將選擇教材中的制取原理，因其可通過(guò)加熱控制反應(yīng)開(kāi)始及停止;以及選擇制取原理（4），因?yàn)槠瑺钇劬萌∮?、無(wú)顏色干擾，易清洗，而且只需2mol/L鹽酸即可達(dá)到較快速率。筆者還將利用簡(jiǎn)易的電解裝置，根據(jù)原理（5）去制取氯氣，因其原料無(wú)刺激性氣味、無(wú)腐蝕性較為廉價(jià)及安全。

二、氯氣與金屬的反應(yīng)裝置

氯氣與金屬反應(yīng)實(shí)驗(yàn)主要涉及銅、鐵、鈉三種金屬和氯氣的反應(yīng)，需要掌握現(xiàn)象及產(chǎn)物價(jià)態(tài)。借鑒一些方便新穎的密封方式（保鮮膜密封）[7]和加熱方式（熾熱玻璃棒）[8]，結(jié)合筆者學(xué)校實(shí)驗(yàn)室存有的實(shí)驗(yàn)儀器，筆者設(shè)計(jì)了兩款適用于氯氣與金屬的反應(yīng)裝置，均可達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

裝置一如圖1，使用Y形試管，一支管加熱制取氯氣，在試管中充滿黃綠色氣體后，加熱另一支管中的銅粉或鐵粉引發(fā)氯氣與金屬的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作便捷，通過(guò)加熱控制氯氣的生成開(kāi)始和停止，防泄漏問(wèn)題就可控。產(chǎn)生的煙顏色觀察清晰，濕潤(rùn)的濾紙沾有產(chǎn)生的煙后呈現(xiàn)銅離子和鐵離子的藍(lán)色和黃色，產(chǎn)物的檢驗(yàn)也方便、一體化。

裝置二如圖2，圖3，利用兩顆漂粉精和lOmL2mol/L鹽酸制取氯氣，使用截底塑料瓶將制取氯氣的裝置扣在盛有氫氧化鈉溶液的大表面皿中。用保鮮膜包住瓶口，起到初期制取氯氣時(shí)的防泄漏作用。玻璃瓶?jī)?nèi)充滿黃綠色氣體后，將熾熱的金屬絲插入瓶中開(kāi)始反應(yīng)，金屬絲上方可穿上濕潤(rùn)的濾紙以吸收產(chǎn)物和檢驗(yàn)產(chǎn)物。還可如圖3將熾熱的玻璃棒插入接觸到鈉塊引發(fā)鈉與氯氣的反應(yīng)。

兩套裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用針筒往剩余鹽酸里注射碳酸鈉溶液，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w把殘留在裝置中的氣體和煙排盡，方便后續(xù)的清理工作。兩套裝置對(duì)比，裝置一實(shí)驗(yàn)裝置均是實(shí)驗(yàn)室中可獲得的，搭建也簡(jiǎn)單。裝置二相對(duì)于裝置一可以省去加熱和鐵架臺(tái)這些固定裝置，需要將實(shí)驗(yàn)裝置搬去教室或錄播室使用時(shí)會(huì)更便捷。

三、氯氣與氫氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.點(diǎn)燃條件

氯氣與氫氣的反應(yīng)，需掌握點(diǎn)燃和光照條件下的現(xiàn)象特點(diǎn)。筆者的實(shí)驗(yàn)探索中發(fā)現(xiàn)，氫氣在氯氣中點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)這個(gè)裝置的改進(jìn)難點(diǎn)是，氫氣制取微型化后產(chǎn)生氫氣量少，火焰觀察不明顯;為了避免氯氣泄漏需要密閉空間，一開(kāi)始氯氣還未大量產(chǎn)生易造成火焰熄滅;如若火焰熄滅，氫氣和氯氣不斷產(chǎn)生混合，易發(fā)生爆鳴。故氫氣在氯氣中的點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)，筆者還是比較贊成實(shí)驗(yàn)視頻的演示。

針對(duì)上述難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4。用試劑瓶裝足量的稀硫酸，用小塊蚊帳布包裹足量的鋅粒綁在銅絲上，銅絲可與鋅粒形成原電池加快反應(yīng)速率。這一制取氫氣裝置因?yàn)榉磻?yīng)物量足故可觀察到明顯火焰，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將銅絲上提即可停止氫氣的產(chǎn)生，剩余的硫酸和鋅粒在下一個(gè)班的演示實(shí)驗(yàn)時(shí)還可繼續(xù)使用。制取氯氣的裝置在外部，利用Y形試管傾斜控制鹽酸與漂粉精反應(yīng)的量。提前先制取氯氣充滿Y形試管，避免反應(yīng)初氯氣不足問(wèn)題。氯氣通過(guò)玻璃導(dǎo)管直接通在氫氣燃燒的火焰上，反應(yīng)迅速。一旦火焰熄滅或想結(jié)束反應(yīng)就可通過(guò)關(guān)閉止水夾來(lái)停止氯氣的通人，避免氫氣和氯氣一直混合可能產(chǎn)生爆鳴的安全問(wèn)題，也使得反應(yīng)結(jié)束后裝置內(nèi)殘留的氯氣極少，方便后續(xù)的清理工作。

2.光照條件

氯氣與氫氣在光照條件下反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)相對(duì)而言就比較簡(jiǎn)單，筆者查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)周益年老師[9]的電解法制取氫氣與氯氣混合氣體的裝置尤為經(jīng)典，如圖5裝置簡(jiǎn)單易搭建。而林婕老師[10]們用充電寶作為電解實(shí)驗(yàn)的電源裝置解決了實(shí)驗(yàn)室學(xué)生電源裝置的笨重和教室或錄播室電插頭不方便的問(wèn)題。筆者站在巨人的肩上也嘗試了用電解法制取氫氣與氯氣混合氣體并進(jìn)行光照條件下的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。

如圖6，筆者網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)了無(wú)膠塞注射器，沒(méi)有膠塞鉆洞更方便。購(gòu)買(mǎi)的2.Omm自動(dòng)鉛筆筆芯作為電極插入鉆好的注射器推頭上的兩個(gè)小口。將數(shù)據(jù)線剪掉USB接口，將紅色和黑色線中的銅芯纏繞在兩鉛筆芯上，用電工膠布固定。往注射器內(nèi)注入飽和食鹽水，及少量鹽酸，防止產(chǎn)生的氫氧化鈉吸收氯氣。注射器口接上一小段吊針輸液管，導(dǎo)管末端放人肥皂液中。接通移動(dòng)電源后，兩電極開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，肥皂液中產(chǎn)生足夠泡泡時(shí)停止通電，用手機(jī)的相機(jī)閃光燈照射，聽(tīng)到爆鳴聲。

四、氯氣與水或堿溶液的反應(yīng)

筆者為了利用電解法制取沒(méi)有混合氫氣的氯氣，故選擇將飽和食鹽水換成氯化銅溶液，裝置仍同圖6，只是用輸液管將電解裝置的注射器口連接另一注射器，用于收集氯氣。收集到5mL的氯氣需要5分鐘左右時(shí)間，在注射器中收集到氯氣，可以便捷地用于探究氯氣與水或堿溶液的反應(yīng)。

相同的裝置，但不需要用電解法制取氯氣，如圖7。我們將一支注射器中加入鹽酸，另一支注射器中加入漂粉精，將鹽酸完全注入漂粉精的注射器中后反應(yīng)開(kāi)始，原注有鹽酸的注射器又充當(dāng)收集氯氣的作用。為了避免殘留鹽酸干擾氯水中氯離子和氫離子的檢驗(yàn)，也可用止水夾夾住輸液管后，重新?lián)Q上另一支注射器。若想驗(yàn)證干燥氯氣無(wú)漂白性，可換上放入無(wú)水CaCl2棉花團(tuán)以及干燥的的有色布條的注射器。

五、氯氣的綜合實(shí)驗(yàn)

對(duì)于復(fù)習(xí)課而言，學(xué)生已經(jīng)在學(xué)習(xí)新課時(shí)做過(guò)分組實(shí)驗(yàn)或看過(guò)演示實(shí)驗(yàn)及視頻，所以沒(méi)有必要把以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)再單獨(dú)演示一遍，往往只需要在已有的知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行氯氣氧化性和氯水漂白性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。也有很多研究者提出了這類(lèi)氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，主要為點(diǎn)滴板和試管類(lèi)型。點(diǎn)滴板類(lèi)型，將幾種驗(yàn)證氯氣性質(zhì)的試劑滴加少量在點(diǎn)滴板的孔穴中，利用注射器往各試劑中加入氯氣，這種類(lèi)型試劑用量少，一個(gè)一個(gè)反應(yīng)進(jìn)行，現(xiàn)象觀察更清晰。試管類(lèi)型的使用大試管、U形管等，模式均是待反應(yīng)的物質(zhì)浸潤(rùn)濾紙片按從上到下順序一起放在試管里，試管里滴加鹽酸接觸高錳酸鉀或其他氧化劑產(chǎn)生氯氣，氯氣從下往上接觸濾紙片發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)，這種類(lèi)型無(wú)氯氣泄漏。

筆者設(shè)計(jì)了如圖8的裝置進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)。捏扁的礦泉水瓶底加入漂粉精，上部的瓶?jī)?nèi)壁用雙面膠貼上濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙、滴有NaBr的試紙、濕潤(rùn)的pH試紙、濕潤(rùn)紅色紙條、干燥紅色紙條等用于檢驗(yàn)氯氣性質(zhì)，如擔(dān)心觀察時(shí)紙條過(guò)多造成混亂，可在紙條上寫(xiě)上試劑作區(qū)分。用吸管加入鹽酸后迅速蓋上蓋子，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用注射器從瓶蓋扎入，注入氫氧化溶液，在不拔掉注射器的狀態(tài)下充分振蕩礦泉水瓶，使殘留氯氣充分被吸收。最后得到的溶液含有次氯酸鈉等漂白成分，我們可帶領(lǐng)學(xué)生拿著這些礦泉水瓶到校園里比較臟的角落如廁所，進(jìn)行清洗。三亞的校園，可能會(huì)有一些建筑工人喜歡嚼檳榔而且還亂吐檳榔水，造成某些地面殘留紅色檳榔汁漬，我們帶著學(xué)生用實(shí)驗(yàn)最后獲取的漂白液去進(jìn)行清洗，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)充分利用實(shí)驗(yàn)廢料，并且提高環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

六、結(jié)語(yǔ)

以上筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置在筆者的教學(xué)環(huán)境下是可行有效的，但可能其他教學(xué)環(huán)境下的同行們會(huì)覺(jué)得某些裝置并不是很合適或有更好的選擇，例如有的實(shí)驗(yàn)室可能沒(méi)有Y形管，或有的實(shí)驗(yàn)室有內(nèi)外雙套的尖嘴導(dǎo)管用于氯氣與氫氣的燃燒實(shí)驗(yàn)更方便。美國(guó)社會(huì)學(xué)家、心理學(xué)家赫伯特·西蒙提出的“有限理性說(shuō)”認(rèn)為，人做決策時(shí)，不可能尋求到“最優(yōu)”的結(jié)果，只能尋求“相對(duì)滿意”的結(jié)果[11]。所以不同教學(xué)環(huán)境中的教師，尋求到的是環(huán)境下所能實(shí)現(xiàn)的相對(duì)滿意的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，我們無(wú)法追求完美無(wú)瑕。僅就氯氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提出拙見(jiàn)，與同行們共勉。

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