氯氣在飽和NaCl溶液中與在水中溶解性差異的實證探究

眭蘇奇

關(guān)鍵詞：氯氣溶解度;飽和NaCl溶液;手持技術(shù);pH傳感器;色度傳感器

一、問題的提出

教師在講授如何在實驗室收集氯氣時，一般會講2種收集方式：第一種向上排空氣法（氯氣密度比空氣大）;第二種排飽和食鹽水法。根據(jù)勒夏特列原理Cl2+H2O?H++Cl-+HClO ，飽和NaCl溶液中c（Cl-）大，會抑制Cl2在水中的溶解，使Cl2難溶于飽和NaCl溶液，所以可以用排飽和食鹽水法來收集Cl2。但事實果真如此嗎？

筆者首先進行定性實驗，分別將Cl2持續(xù)通入到飽和NaCl溶液和純水中，一段時間過后（用pH傳感器監(jiān)測溶液pH變化，pH五分鐘內(nèi)保持不變認(rèn)為Cl2在水中溶解且與水反應(yīng)充分），發(fā)現(xiàn)兩瓶溶液都為黃色，顏色相差無幾（見圖1，圖2），之后用色度計測量（見圖3）上述兩瓶溶液的透光率（見表1），發(fā)現(xiàn)也相差不大，由此帶來疑問，飽和NaCl 溶液真的能有效降低氯氣在水中的溶解度嗎？筆者在中國知網(wǎng)進行相關(guān)文獻查閱，發(fā)現(xiàn)關(guān)于這個問題的研究比較少，在2015年《教學(xué)儀器與實驗》發(fā)表的一篇名為“氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解有多大”的文章中對這個問題有所涉及[1]。此文運用傳統(tǒng)實驗儀器進行實驗，同時結(jié)合理論分析，指出氯氣在飽和食鹽水中溶解度有所減少，但是具體程度如何？文中提到由于實驗條件有限，所測量的數(shù)據(jù)也不是很精確，只能定性進行初步探究，基于此，筆者運用數(shù)字化手持技術(shù)對這個問題進行了實驗探究。

二、實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

1. 實驗原理

根據(jù)勒夏特列原理，提高溶液中c（Cl-），平衡左移，抑制Cl2在水中的溶解，通過監(jiān)測溶液中pH的變化量，探究Cl2在飽和食鹽水中的溶解度。

2. 實驗儀器及藥品

計算機、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、溫度傳感器、色度計、磁力攪拌器、錐形瓶、分液漏斗、廣口瓶、橡膠塞、導(dǎo)管、鐵架臺、燒杯等儀器。氯酸鉀、濃鹽酸、氯化鈉、蒸餾水等藥品。

3. 實驗補充說明

本次制取Cl2采用KClO3+6HCl（濃）== KCl+3H2O+3Cl2↑，此反應(yīng)常溫下能自發(fā)進行，且反應(yīng)速率較快，用分液漏斗將濃鹽酸的滴加速率控制為：1滴/s，以確保濃鹽酸能充分反應(yīng)，取10 g KClO3和濃鹽酸反應(yīng)，確保氯氣能平穩(wěn)流暢地持續(xù)放出，產(chǎn)生足量Cl2。

4. 實驗裝置圖

實驗裝置見圖4。

5. 實驗方案及步驟

實驗①：

先將產(chǎn)生的Cl2通入100 mL飽和NaCl溶液中除去揮發(fā)出來的HCl后，再通入到40 mL飽和食鹽水中，用pH傳感器記錄溶液pH的變化。

實驗步驟：

（1）按圖4所示裝置組裝儀器，用pH=6.86標(biāo)準(zhǔn)緩沖液校準(zhǔn)pH傳感器。

（2）檢查裝置的氣密性，開始制取Cl2。

（3）同時打開磁力攪拌器，以便Cl2在飽和NaCl溶液中與水充分反應(yīng)且快速形成Cl2的飽和溶液。

（4）待到pH值穩(wěn)定（5 min內(nèi)數(shù)值不變）視為達(dá)到飽和狀態(tài)，停止數(shù)值采集，清洗pH傳感器及其他儀器，剩余藥品集中回收處理。

實驗②：

先將產(chǎn)生的Cl2通入100 mL飽和NaCl溶液中（目的同實驗①），再通入到40 mL蒸餾水中，用pH傳感器

記錄溶液pH的變化。

實驗步驟：同實驗①。

實驗③：

不用飽和NaCl 溶液去除HCl，直接將制取的Cl2通入到40 mL飽和NaCl溶液中，用pH傳感器記錄溶液pH的變化。

實驗步驟：同實驗①。

6. 實驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

三組實驗數(shù)據(jù)曲線圖（見圖4）

由表2 分析：實驗①c（H+）=2.0×10-3mol/L，實驗②c（H+）=1.3×10-2mol/L，即Cl2在實驗②中與水反應(yīng)的物質(zhì)的量也應(yīng)該是實驗①的6.5倍。查閱相關(guān)數(shù)據(jù)[2]：Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 平衡常數(shù)為4.2×10-4，逆反應(yīng)進行程度較大，由此可以得出，在飽和NaCl溶液中由于提高了c（Cl-），平衡左移且進行程度較大，可以看出的確有抑制氯氣溶解的作用，也大大減少了Cl2的損耗，可以收集到更多的Cl2。

那如何解釋前文所提的疑問及矛盾呢？我們知道Cl2在水中溶解分為物理溶解（只與溫度和壓強有關(guān)）和化學(xué)溶解（即與水反應(yīng)的程度），而實驗①與實驗②所處的環(huán)境基本一致，所以無論肉眼的定性觀察還是運用色度計定量測量，其結(jié)果不會存在多大差異，只有通過分析Cl2化學(xué)溶解才能得出科學(xué)的結(jié)論和解釋。

通過此次探究實驗，我們可以看出僅靠定性觀察是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，有時還會產(chǎn)生誤導(dǎo)。另外即便是采用定量測量，如果沒有測量合理的物理量（變量），也會產(chǎn)生誤導(dǎo)。而此次的探究實驗，既可以讓學(xué)生在學(xué)的過程中深刻理解Cl2在水中溶解的本質(zhì)和機理，也可以讓教師教得更清晰準(zhǔn)確，Cl2 難溶于飽和NaCl 溶液，不是指Cl2 在水中的物理溶解，而是Cl2 在飽和NaCl溶液中更難與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（即化學(xué)溶解），從而減少了Cl2損耗。

實驗③的數(shù)據(jù)也能從側(cè)面進行驗證，由于實驗③沒有除去HCl，HCl進入到溶液后電離產(chǎn)生H+，進一步使平衡左移，Cl2 更難與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但由于揮發(fā)出來的HCl 量畢竟少，其抑制效果肯定沒有飽和NaCl溶液那么明顯，這可以通過實驗②和實驗③pH 數(shù)值比較分析看出，兩者相差很小，因此要獲得純凈量多的Cl2還是要通過排飽和NaCl 溶液來獲得。

同時，通過對比實驗①與實驗②pH數(shù)據(jù)，還可以引導(dǎo)學(xué)生深刻認(rèn)識Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 為可逆反應(yīng)，這是高中學(xué)生第一次接觸可逆反應(yīng)，讓學(xué)生理解可逆反應(yīng)的意義，進而能夠理解化學(xué)平衡移動原理就顯得尤為重要[3]。在常規(guī)教學(xué)中教師主要是從宏觀現(xiàn)象與理論的角度進行講授，較少從微觀和動態(tài)變化上讓學(xué)生學(xué)習(xí)可逆反應(yīng)，學(xué)生多為機械記憶，沒有進行太多的思維活動[4]，難以真正理解并記住這一知識點。筆者運用手持技術(shù)測量溶液pH的變化，隨著溶液c（Cl-）升高，pH也跟著上升，證明平衡向左移動，既然有平衡移動，此反應(yīng)就一定為可逆反應(yīng)。實驗過程中學(xué)生可以把數(shù)值與微觀粒子（H+）聯(lián)系在一起，數(shù)值變化又是動態(tài)變化過程，這樣就把可逆反應(yīng)中微觀的、動態(tài)的本質(zhì)展現(xiàn)得淋漓盡致，也把抽象的難以理解和記憶的知識點“數(shù)據(jù)化、動態(tài)化、直觀化”，讓學(xué)生“摸得著、看得見、想得起”，從而達(dá)到加深理解和記憶的效果。

由此，教師在課堂講“因為Cl2難溶于飽和NaCl溶液，所以可以用排飽和NaCl溶液收集Cl2”，這一結(jié)論是沒有問題的，但在進行解釋的時候，應(yīng)該突出Cl2的化學(xué)溶解，再通過平衡理論來分析Cl2在飽和NaCl溶液中與水反應(yīng)的程度大小。

三、數(shù)字化手持技術(shù)解決問題的啟示

本研究對教材中難以用傳統(tǒng)實驗儀器表征的知識內(nèi)容加以補充，突出了實驗的基礎(chǔ)作用[5]，通過手持技術(shù)設(shè)計實驗，測量溶液的pH、透光率進行定量分析。借助數(shù)據(jù)曲線圖，將“數(shù)據(jù)”指代“微觀”來表征“宏觀”，使“靜態(tài)”轉(zhuǎn)化為“動態(tài)”，客觀真實地展現(xiàn)實驗過程，揭開化學(xué)微觀世界隱藏的規(guī)律。這樣能夠有效降低知識的難度，掃除學(xué)生的“盲點”和“誤區(qū)”。

手持技術(shù)的運用使學(xué)生探究問題的范圍和深度都大大拓展[6]，這對提高學(xué)生探究能力大有裨益。同時學(xué)生在實驗過程中，觀察現(xiàn)象，采集數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)和現(xiàn)象建立坐標(biāo)圖，分析解決問題，參與概念的形成。培養(yǎng)了學(xué)生收集證據(jù)，分析處理數(shù)據(jù)的能力，促進自身“證據(jù)推理與模型認(rèn)識”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識[7]”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。