氯氣制備和性質(zhì)檢驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

閻潤(rùn)鴻 馮高峰

摘要：使用單排管和恒壓滴液漏斗組合，設(shè)計(jì)并自制了中學(xué)化學(xué)“氯氣的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)”一體化實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置能在密閉體系中控制反應(yīng)進(jìn)行，用作演示實(shí)驗(yàn)可使氯氣性質(zhì)的講解和實(shí)驗(yàn)演示依次有序進(jìn)行，教學(xué)效果良好。同時(shí)，該一體化實(shí)驗(yàn)裝置可有效防止有毒氣體外泄，并具有良好的普適性，可用于二氧化硫等其他氣體的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：氯氣制備; 一體化實(shí)驗(yàn)裝置; 氯氣性質(zhì); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：10056629（2021）11006804

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題提出

氯是高中化學(xué)階段無(wú)機(jī)化學(xué)中重要的非金屬元素，氯氣的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)之一?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將“氯氣的制備及性質(zhì)”寫入了“常見無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”主題學(xué)習(xí)活動(dòng)建議的實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)中，要求通過實(shí)驗(yàn)探究，了解氯及其重要化合物的主要性質(zhì)[1]。按照人教版化學(xué)必修1（新版）中氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法，將MnO2和濃鹽酸混合加熱制取氯氣，能源消耗較大，檢測(cè)氯氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)還需制備氯氣，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間過長(zhǎng)，氯氣消耗量太大，造成原料浪費(fèi)，不符合綠色化學(xué)思想[2]。本文將單排管和具支試管等組合起來，使氯氣制備和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一體化，并用注射器和三通閥吸收尾氣[3]，設(shè)計(jì)出一套適合課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 研究現(xiàn)狀

針對(duì)氯氣的制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中存在的問題，不少學(xué)者從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置等方面提出了多種改進(jìn)方案。大多數(shù)改進(jìn)方案集中于氯氣制備和性質(zhì)檢驗(yàn)的一體化和微型化上。如李猛的“氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)”[4]，見圖1。該裝置利用硬質(zhì)玻璃管檢驗(yàn)氯氣的多項(xiàng)性質(zhì)，大大降低了實(shí)驗(yàn)藥品的消耗，但是學(xué)生難免會(huì)產(chǎn)生疑惑：“先接觸到氯氣的試紙是否會(huì)對(duì)后面氯氣性質(zhì)檢驗(yàn)造成影響”，即不同性質(zhì)的檢驗(yàn)并沒有分開，科學(xué)性上不夠嚴(yán)謹(jǐn);許美蓮的“氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”[5]，見圖2。該套裝置雖然將氯氣性質(zhì)檢驗(yàn)集合在一起，多種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象體現(xiàn)了化學(xué)之美，但是對(duì)于剛接觸該部分內(nèi)容的學(xué)生來說，同時(shí)面對(duì)氯氣的諸多性質(zhì)，難免會(huì)不知所措，反而導(dǎo)致課堂效率降低;唐梓雲(yún)的“氯氣的綠色化制備及性質(zhì)的整合與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”[6]，見圖3。該套裝置能連續(xù)完成濕潤(rùn)氯氣的氧化性、酸性和漂白性等性質(zhì)的檢驗(yàn)，但是裝置過于復(fù)雜，藥品也難以放至裝置中，并且沒有解決不同性質(zhì)的檢驗(yàn)之間的干擾問題;劉江的“氣體制備及性質(zhì)驗(yàn)證綜合一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)”[7]，見圖4。該套裝置使用大量的非常規(guī)儀器，防止了有毒氣體外泄，分開進(jìn)行不同性質(zhì)的檢驗(yàn)，較好地完成了一體化，但卻削弱了化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)和實(shí)驗(yàn)操作技能的訓(xùn)練。

3 Cl2的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

2KMnO4+16HCl5Cl2↑+2MnCl2+2KCl+8H2O

3.2 性質(zhì)檢驗(yàn)

（1） 氧化性。氯氣具有氧化性，可以氧化還原性物質(zhì)。以鹵族單質(zhì)為例，氧化性Cl2>Br2>I2，故Cl2可以將Br-和I-氧化成Br2和I2。溴單質(zhì)呈橙紅色，碘單質(zhì)遇到淀粉變藍(lán)，現(xiàn)象明顯。

（2） 酸性。氯氣溶于水會(huì)和水發(fā)生可逆反應(yīng)，生成HCl和HClO，紫色石蕊溶液遇酸變紅。

（3） 遇水顯漂白性。干燥有色布條遇到干燥的氯氣不變色，而濕潤(rùn)的有色布條則褪色明顯，兩者形成鮮明對(duì)比。

（4） 與金屬反應(yīng)。在加熱條件下氯氣能與不活潑金屬Cu反應(yīng)，加入水后溶液呈現(xiàn)藍(lán)色。

（5） 與堿溶液反應(yīng)。氯氣與氫氧化鈉發(fā)生如下反應(yīng)：

2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O

3.3 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器： 單排管、10mL具支試管、恒壓滴液漏斗、干燥管、燒杯、250mL抽濾瓶、三通閥、10mL注射器、透明橡膠管、玻璃導(dǎo)管、酒精燈、橡膠塞、止水夾

實(shí)驗(yàn)試劑及用品： KMnO4、濃鹽酸、NaOH溶液、NaBr溶液、淀粉KI試紙、銅絲、蒸餾水、無(wú)水CaCl2、紫色石蕊溶液、紅色布條、氣球、濾紙

3.4 實(shí)驗(yàn)裝置

一體化的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示（夾持裝置略）。單排管為單排管真空氣體分配器，是有機(jī)合成科研室常用的商品化的玻璃儀器，其側(cè)管的數(shù)量和尺寸有多種選擇。恒壓滴液漏斗較普通滴液漏斗多一個(gè)連通的側(cè)管，從而使?jié)恹}酸液面上的壓力與反應(yīng)瓶中的壓力一致，使?jié)恹}酸始終能夠順利滴入到反應(yīng)瓶中。

3.5 裝置設(shè)計(jì)原理

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，由氣體發(fā)生、氣體凈化、氣體收集、性質(zhì)檢驗(yàn)和尾氣吸收等裝置組成。（1）性質(zhì)檢驗(yàn)裝置中將濾紙條用不同溶液濕潤(rùn)，使用透明膠帶固定到玻璃導(dǎo)管上。（2）氣體收集裝置和性質(zhì)檢驗(yàn)裝置使用橡膠管和玻璃導(dǎo)管連接，方便拆卸。（3）為了使氯氣能夠進(jìn)入具支試管，在支管口上套一個(gè)氣球以平衡氣壓。

3.6 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）如圖5所示安裝好實(shí)驗(yàn)儀器，4支具支試管從左到右分別標(biāo)號(hào)為1、 2、 3、 4，檢查裝置氣密性。打開K1、 K2，關(guān)閉K3、 K4、 K5、 K6。用洗耳球貼住開口并從恒壓漏斗頂部鼓入氣體，具支試管1處氣球能夠鼓起且不漏氣。同理分別檢測(cè)具支試管2、 3、 4處，若氣球都能鼓起且不漏氣則說明裝置氣密性良好。

（2）如圖5所示裝上藥品。其中恒壓漏斗中加入12mL濃鹽酸，抽濾瓶中加入3g KMnO4固體，具支試管2中的紫色石蕊溶液需浸沒玻璃導(dǎo)管末端，具支試管4中放入6cm繞成螺旋狀的細(xì)銅絲，尾氣處理選擇1mol/L的NaOH溶液。

（3） 氧化性的檢驗(yàn)。關(guān)閉所有活塞，打開K6，控制K1開關(guān)的大小使?jié)恹}酸進(jìn)入抽濾瓶，待單排管中明顯能觀察到黃綠色氣體時(shí)打開K2，關(guān)閉K6，待氣球鼓至有彈性時(shí)即可關(guān)閉K2，打開K6，可觀察到具支試管1中蘸NaBr溶液的試紙變?yōu)槌赛S色、淀粉KI試紙變藍(lán)。

（4） 酸性的檢驗(yàn)。關(guān)閉K6，打開K3，待氣球鼓至有彈性時(shí)關(guān)閉K3，打開K6?？梢杂^察到紫色石蕊溶液變紅。

（5） 漂白性的檢驗(yàn)。打開K4，關(guān)閉K6，待氣球鼓至有彈性時(shí)即可關(guān)閉K4，打開K6。可觀察到濕潤(rùn)的有色布條褪色，而干燥的有色布條不褪色。

（6） 與金屬反應(yīng)。打開K5，關(guān)閉K6。待氣球微微鼓起即可關(guān)閉K5、 K1，打開K6。用止水夾夾住橡膠管，取下具支試管4，用試管夾固定并用酒精燈加熱，銅絲燃燒且放出棕黃色的煙。用10mL注射器注入5mL的蒸餾水，可以觀察到棕黃色的煙逐漸消失，溶液呈藍(lán)色。

（7） 尾氣吸收。打開K1、 K6，關(guān)閉K2、 K3、 K4、 K5，待少量殘余的濃鹽酸進(jìn)入抽濾瓶后關(guān)閉K1。恒壓漏斗連接三通閥（如圖7所示），旋轉(zhuǎn)控制閥，使三通閥的2和3連通。

在1處套上一個(gè)充滿氣的氣球，接通1和3，再打開K1，使氣球內(nèi)的氣體進(jìn)入裝置。重復(fù)上述操作2～3次使裝置內(nèi)氣體充分被1mol/L的NaOH溶液吸收。用10mL注射器往4支具支試管中各注入2mL的1mol/L NaOH溶液吸收尾氣。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以單排管和恒壓滴液漏斗為主要儀器，設(shè)計(jì)了密閉體系中氯氣制備、性質(zhì)檢驗(yàn)以及尾氣處理一體化實(shí)驗(yàn)裝置。新設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 使用單排管。單排管各個(gè)側(cè)管都具有控制開關(guān)，可以做到氯氣的收集與性質(zhì)檢驗(yàn)分步進(jìn)行。同時(shí)，各性質(zhì)的檢驗(yàn)可在單獨(dú)支路中進(jìn)行，使各項(xiàng)性質(zhì)的檢驗(yàn)可以依次進(jìn)行，互不干擾，實(shí)現(xiàn)了氯氣性質(zhì)知識(shí)的講解與相關(guān)實(shí)驗(yàn)演示有序進(jìn)行，克服了以往實(shí)驗(yàn)裝置存在的缺陷，提高了實(shí)驗(yàn)演示的教學(xué)效果。

（2） 使用恒壓滴液漏斗。恒壓滴液漏斗可以使反應(yīng)在密閉環(huán)境下能順利調(diào)節(jié)濃鹽酸滴加速度以控制反應(yīng)進(jìn)行，并防止氯化氫氣體外泄。使課堂實(shí)驗(yàn)演示與性質(zhì)知識(shí)講解有序進(jìn)行。

（3） 實(shí)驗(yàn)裝置有良好的普適性。該裝置適用于固液兩種反應(yīng)物反應(yīng)進(jìn)行有毒氣體的制備（如二氧化硫等）以及氣體性質(zhì)的有序演示和檢驗(yàn)。

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