基于氯氣制備、性質(zhì)的綠色微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王玉潔

(江蘇省連云港市贛榆一中 222100)

1 創(chuàng)意來源

綠色化學(xué)是指從源頭上防止污染產(chǎn)生或把化學(xué)過程對(duì)環(huán)境的污染降低到最小程度的化學(xué).開發(fā)綠色實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)原料和過程的綠色化，防止或減少實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的尾氣、廢物等對(duì)環(huán)境的污染，在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下盡量減少試劑的用量，采用小型化、微型化的實(shí)驗(yàn)，妥善處理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢氣和廢物以防止污染環(huán)境等，是很多中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要考慮和改進(jìn)的問題.氯作為非金屬元素的典型代表，氯氣的制備和性質(zhì)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生其他元素化合物的興趣、方法有重要的影響.2017版的化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)上要求結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解氯及其重要化合物的主要化學(xué)性質(zhì)，認(rèn)識(shí)這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響.氯氣的制備和氯水的性質(zhì)比較復(fù)雜，教材上相關(guān)的實(shí)驗(yàn)比較少.

(1)蘇教版《化學(xué)必修2》第40頁有如圖1所示的電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn).該裝置能有效收集氣體，檢驗(yàn)氣體時(shí)容易操作等優(yōu)點(diǎn).但是未能有效解決下列問題：

圖1

①裝置笨重，需要學(xué)生電源.

②電解速度慢，陰極產(chǎn)生H2量少，進(jìn)行點(diǎn)燃或爆鳴實(shí)驗(yàn)比較困難；驗(yàn)證氯氣時(shí)，容易污染環(huán)境.

③因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室電源量少，且氯氣有污染，會(huì)泄露，作為分組實(shí)驗(yàn)特別困難.

④產(chǎn)生的氯氣大量溶于水，且和陰極產(chǎn)生的氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致生成次氯酸鈉，使氯氣的收集很困難，難以和生產(chǎn)實(shí)際中氯堿工業(yè)聯(lián)系起來.

基于以上分析，電解飽和食鹽水的改進(jìn)思路為：

①陰極和陽極盡可能靠近，以縮短離子遷移的距離，提高電解的速率.

②將產(chǎn)生的氯氣和氫氣封閉在1 min水電解器中，便于收集、性質(zhì)檢驗(yàn)和減少污染.

(2)氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)是高中階段化學(xué)教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)，一是由于Cl2有一定毒性，在制備過程稍有不慎極易造成泄露;二是蘇教版高中《化學(xué)必修1》(2019年6月版)教材中探究氯氣分別與干燥的和濕潤(rùn)的有色紙條反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)(如圖2所示)，使用的是2個(gè)集氣瓶，沒有給出裝置圖，但可以看出藥品用量大，氯氣有毒，反應(yīng)后的裝置中還存有大量剩余氯氣，在處理瓶?jī)?nèi)剩余氣體的過程中，會(huì)造成泄露，所以對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，目前很多教師用實(shí)驗(yàn)視頻取代課堂實(shí)驗(yàn)，或課堂上僅演示一個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主更難實(shí)現(xiàn).《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》強(qiáng)調(diào)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，盡可能多地為學(xué)生提供動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)教師設(shè)計(jì)綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展微型實(shí)驗(yàn)，并且可采取替代品進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖2

針對(duì)存在的問題，本實(shí)驗(yàn)從綠色化和微型化的角度出發(fā)，改進(jìn)思路為：選用一次性塑料杯子和塑料瓶蓋等材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選用生活中常見的84消毒液和潔廁靈制取氯氣、利用氫氧化鈉溶液液封可以同步完成氯氣的氧化性、氯水酸性和漂白性等一體化實(shí)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)綠色環(huán)保、現(xiàn)象明顯、十分適合學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，在真實(shí)生活情境中感受氯氣的性質(zhì).

2 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：注射器3支(帶針頭)、220V電源、定制電解器、酒精燈、洗瓶等.

藥品：飽和食鹽水，氫氧化鈉溶液，酚酞溶液，干燥pH試紙、濕潤(rùn)pH試紙，濕潤(rùn)淀粉碘化鉀試紙、NaOH溶液+酚酞+濾紙、干燥紅紙，濕潤(rùn)紅紙，潔廁靈，84消毒液等.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3

4 實(shí)驗(yàn)原理

(1)電解飽和食鹽水常規(guī)采用U型管實(shí)驗(yàn)，消耗液體較多，且產(chǎn)物檢驗(yàn)不方便，本實(shí)驗(yàn)采用定制電解器、注射器，操作簡(jiǎn)單，安全，沒有任何氣體的泄露.

陰極反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：

總反應(yīng)為：

(2)氯氣的漂白性、強(qiáng)氧化性實(shí)驗(yàn)，氯水的酸性實(shí)驗(yàn)，通常事先通過高錳酸鉀與濃鹽酸單獨(dú)制備、收集氯氣，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅消耗藥品多，實(shí)驗(yàn)過于復(fù)雜.筆者采用生活中常見的84消毒液與潔廁靈制備氯氣，再進(jìn)行性質(zhì)檢驗(yàn)，不僅增強(qiáng)了趣味性，而且對(duì)生活有一定的指導(dǎo)作用.

①氯氣的產(chǎn)生：

②氯氣能使淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)：

淀粉遇碘單質(zhì)變藍(lán).

③氯氣不能使干燥的紅紙褪色.

④氯氣能使?jié)駶?rùn)的紅紙褪色.

產(chǎn)物中次氯酸具有漂白性，使紅紙褪色.

⑤氯氣能使?jié)駶?rùn)的pH試紙先變紅后褪色.

產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)使pH試紙變紅，產(chǎn)物中次氯酸具有漂白性，使pH試紙褪色.

⑥氯氣的尾氣處理：

5 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

5.1 電解飽和食鹽水

(1)注入電解液.用注射器取50mL食鹽水，從儲(chǔ)液室頂部的加液口注入，液體的量加入到一半.用2個(gè)膠塞帽塞住反應(yīng)室的2個(gè)導(dǎo)氣管.順時(shí)針緩緩傾斜裝置，將反應(yīng)室的空氣趕出，直至水平，2個(gè)反應(yīng)室內(nèi)充滿溶液，正立裝置，完成排氣步驟，如果加入的溶液不足，還可再補(bǔ)充少量溶液.

(2)接通電源，電解.2個(gè)反應(yīng)室都可以觀察到有氣泡產(chǎn)生，且產(chǎn)生的速度很快，液面下降.

(3)電解產(chǎn)物的檢驗(yàn)：用連接針頭的注射器扎入塞在導(dǎo)氣管上的橡膠塞，拉動(dòng)活塞，即可抽出與電源負(fù)極相連的電極氣體，氣體抽出后，直接推向酒精燈的火焰，可以點(diǎn)燃；濕潤(rùn)淀粉碘化鉀試紙放在注射器內(nèi)部，抽取與電源正極相連的電極氣體，觀察現(xiàn)象；陰、陽極區(qū)加入酚酞溶液，觀察現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論：與電源負(fù)極相連的電極一端產(chǎn)生的氣體可以燃燒，有淡藍(lán)色火焰，為氫氣；與電源負(fù)極相連的電極一端產(chǎn)生的氣體可以使淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，該氣體為氯氣.與電源負(fù)極相連的電極一端的溶液遇酚酞變紅，即生成了堿.

(4)再繼續(xù)電解食鹽水，將電源拔下，插上帶風(fēng)扇的電機(jī).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論：風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來.形成原電池,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，增強(qiáng)趣味性.原理為：

5.2 氯氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究

(1)向潔凈的一次性水杯壁分別粘貼濕潤(rùn)淀粉碘化鉀試紙，濕潤(rùn)紅色紙條、干燥紅紙條、濕潤(rùn)pH試紙、干燥pH試紙、NaOH溶液+酚酞+濾紙，再將凡士林涂在水杯杯口，倒扣在表面皿中，表面皿中放一瓶蓋，瓶蓋中放1mL左右潔廁靈.

(2)用針筒吸取1mL的84消毒液，從一次性塑料水杯上部加入表面皿中，觀察現(xiàn)象(見表1).為了防止有少量氯氣泄漏，在表面皿與一次性水杯之間加入少量氫氧化鈉溶液，進(jìn)行液封.

表1

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用，慢慢提一下水杯使氫氧化鈉溶液進(jìn)入使其充分反應(yīng)后洗滌，使氯氣充分被氫氧化鈉溶液吸收，防止其污染環(huán)境，對(duì)人體產(chǎn)生危害.

6 設(shè)計(jì)特色

6.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)

選用生活中常見的84消毒液和潔廁靈制取氯氣可以同步完成氯氣的氧化性、氯水酸性和漂白性等一體化實(shí)驗(yàn)，裝置微型化且密封綠色環(huán)保便于學(xué)生及老師操作.電解飽和食鹽水密封環(huán)保，反應(yīng)速率快，操作簡(jiǎn)單安全，現(xiàn)象明顯.

6.2 巧妙運(yùn)用注射器

運(yùn)用注射器抽取氣體進(jìn)行性質(zhì)檢驗(yàn)，氣體較純，氫氣檢驗(yàn)安全可靠.先將濕潤(rùn)淀粉碘化鉀放在注射器中，再抽取少量氯氣檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單.

6.3 實(shí)現(xiàn)尾氣零排放

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)將氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置在一個(gè)密閉容器內(nèi)進(jìn)行，用氫氧化鈉液封，氯氣不會(huì)逸散，綠色環(huán)保.裝置最后的尾氣，用氫氧化鈉溶液吸收效果好.實(shí)現(xiàn)氣體零排放，有益于環(huán)保.

6.4 具有趣味性

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的藥品和裝置都來自于生活，有一定的趣味性和生活性，通過動(dòng)手操作學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的感知更深刻.

6.5 具有可行性

通過改變不同試劑，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)增加了在高三課堂上復(fù)習(xí)氯氣性質(zhì)時(shí)引入課堂實(shí)驗(yàn)的可行性.