實現(xiàn)單一變量的次氯酸漂白作用實驗改進

江西師范大學化學化工學院(330022) 張 婷 黎泓波 姜建文

1 問題的提出

1.1 教材實驗分析

人教版普通高中化學教材必修1(2019年版)在第2章第2節(jié)“氯及其化合物”中沒有提供氯水漂白作用的實驗裝置，只是以文字的形式闡述“分別將干燥和濕潤有色布條或紙條及有色鮮花放入干燥的氯氣中”，并沒有相關的實驗裝置圖。蘇教版普通高中化學教材必修1(2020年版)在專題3第1單元“氯氣及氯的化合物”的實驗探究中也只是給出了實驗步驟(將干燥的有色布條和濕潤的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中，觀察并比較實驗現(xiàn)象)，并沒有實驗裝置圖。因此，人教版和蘇教版教材證明次氯酸漂白性實驗均存在以下問題：①氯氣或氯水的消耗量較大，教師的課前準備工作量大，不便進行學生實驗；②沒有氯氣的制備過程，由于在教材中氯氣的制備位于氯水漂白作用實驗之后，所以學生不明白氯氣是怎樣產生的；③在將紙條或鮮花放入裝有氯氣的集氣瓶中時必定會有氯氣逸出污染空氣；④未處理集氣瓶中剩余的氯氣，實驗并未真正結束。

魯教版普通高中化學教材必修1(2019年版)在第1章第2節(jié)“研究物質的方法和程序”中雖然給出了將氯氣依次通入干燥紅紙條和濕潤紅紙條并最終通入到氫氧化鈉溶液中進行余氯吸收的裝置圖，但仍存在上述①②問題。

1.2 研究現(xiàn)狀分析

針對教材實驗中存在的不足，筆者在查閱了大量文獻后發(fā)現(xiàn)不少教師和學者對次氯酸的漂白作用實驗改進做了研究，并取得了較多成果，但均存在一些同樣的問題，現(xiàn)以兩個研究成果為例說明氯水漂白性實驗裝置改進存在的問題。

如李海燕的《新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進》，實驗裝置見圖1。該裝置雖將氯氣的制備及次氯酸的漂白性及余氣處理一體化，但存在三個突出問題：一是沒有控制單一變量，由于放有無水氯化鈣的海綿墊層的存在，使得左側花瓣的氯氣濃度小于右側，無法確定是由于氯氣與水反應使右側有色花瓣褪色還是由于右側氯氣濃度更大從而觀察到右側有色花瓣褪色；二是沒有排除氯化氫氣體的干擾，濃鹽酸易揮發(fā)使得與有色花瓣接觸的氣體除了氯氣還有氯化氫氣體，該實驗沒有論證氯化氫氣體不會使有色花瓣褪色；三是小氣球中收集的氯氣后續(xù)處理不便，使得實驗操作更加繁瑣。

圖1 沒有控制單一變量的實驗

再如袁君雅的“次氯酸漂白作用實驗的新設計”，實驗裝置見圖2。該裝置雖然保證了雙翼試管兩側氯氣濃度一致，但存在以下不足：一是裝置不易獲得(雙翼試管需定制)，如果進行學生實驗成本較高，且雙翼試管的普適性不高，較少實驗必須使用雙翼試管；二是該實驗也沒有排除氯化氫氣體的干擾，存在與上一實驗相同的問題；三是雙翼試管兩側的氯氣無法除去，余氣處理不徹底；四是要將包裹無水氯化鈣固體的棉花塞到兩側小試管上部存在較大困難。

圖2 儀器成本高的實驗

基于以上問題的存在，筆者設計了一套儀器裝置簡單、集氯氣的制備和漂白作用于一體、控制單一變量、能排除氯化氫氣體干擾且適用于學生實驗的次氯酸漂白作用的實驗裝置。

2 實驗改進

2.1 實驗儀器及藥品

U型管(直徑30 mm)、20 mL一次性注射器(3支)、小試管(2支)、彩帶紙(2片)、海綿墊層(2塊)、玻璃導管(2根)、帶鐵夾的鐵架臺(1個)、濃鹽酸(37%)、KMnO4固體、NaOH溶液(20%)、飽和食鹽水、無水氯化鈣固體。

2.2 實驗裝置圖

實驗裝置見圖3。

圖3 實現(xiàn)單一變量的次氯酸漂白性實驗裝置圖

2.3 實驗過程及現(xiàn)象

2.3.1 實驗前的準備

(1)在兩個橡膠塞上分別打1個孔，分別插1個小試管，左側小試管外壁貼1張干燥彩紙帶，右側小試管外壁貼1張潤濕的彩紙帶。

(2)在左右兩側橡膠塞的另1個孔分別插1根玻璃導管，再在2根玻璃導管上分別插1個相同的海綿墊層，然后在兩邊的海綿墊層上方放置相同質量(1.5 g)的無水氯化鈣固體。

(3)在U型管中加入1.0 g KMnO4固體，然后塞上插有海綿墊層的2個橡膠塞，接著在左方玻璃管上方插1支裝有5.0 mL飽和食鹽水的注射器；右側玻璃管上方插1支裝有4.0 mL濃鹽酸(37%)的注射器。

2.3.2 實驗進行的操作

2.3.3 實驗后的處理

將右側注射器換成裝有10.0 mL NaOH溶液(20%)的注射器，注入NaOH溶液吸收余氯，用左側空注射器(因為飽和食鹽水已被注入到U型管中)可吸出部分余氯。有關反應的化學方程式是：Cl2+2NaOH=NaClO+NaCl+H2O。

2.4 實驗說明

(1)U型管左側裝有飽和食鹽水的注射器有兩個作用：一是除去氯氣中混有的氯化氫氣體；二是在反應結束后吸收裝置中剩余的氯氣。

(2)U型管左右兩側同質量的無水氯化鈣固體是為了保證兩片彩紙帶所處位置的氯氣濃度相同，控制單一變量。

3 實驗優(yōu)點

(1)儀器用品簡單易得，不需定制，實驗成本低。本實驗所使用的U型管、試管等儀器均為實驗室常見儀器，所使用的實驗用品，如海綿墊層和注射器，均為生活中常見用品，因此具備進行學生實驗的設備基礎。另外，將注射器應用于化學實驗還能實現(xiàn)物質的二次利用，變廢為寶，符合綠色化學理念。

(2)實現(xiàn)對照組和實驗組的其他變量相同。保證了兩片彩紙帶所處環(huán)境的氯氣濃度相同，不同之處只是左邊的彩紙帶是干燥的，右邊的是濕潤的，實現(xiàn)變量只有干濕狀況，排除了由于氯氣濃度不同造成濕潤彩紙帶褪色的可能性，實現(xiàn)了單一變量。

(3)增強了實驗的嚴謹性。用飽和食鹽水除去濃鹽酸揮發(fā)出來的氯化氫氣體，排除氯化氫氣體導致彩紙帶褪色的可能性，增強實驗的嚴謹性。

(4)裝置密閉性好，且對裝置中多余氯氣的處理較徹底。相比前文所列的兩個已有研究實驗裝置，本實驗裝置對余氯處理更為徹底，操作更為簡單方便。

(5)一體化設計。將氯氣的制備、干燥及次氯酸的漂白作用融合在一個實驗裝置中，實驗連續(xù)性好。

4 結論

本實驗裝置本著綠色環(huán)保、嚴謹科學的設計理念：整個實驗處于密閉體系中進行，通過注射器的“一吸一注入”處理多余的氯氣，符合綠色化學理念；用飽和食鹽水除去濃鹽酸揮發(fā)出的氯化氫氣體及氯氣與水反應生成的氯化氫氣體，保證與彩紙帶接觸的氣體為氯氣；最重要的是本研究確保了實驗對象——兩片彩紙帶所處環(huán)境的氯氣濃度一致，實現(xiàn)自變量的唯一性，增強了實驗的嚴謹性。