氯氣與鐵反應(yīng)的綠色化實驗探究

王玉婷 王素琴 黎泓波 王彤彤

摘要：針對氯氣毒性大、易泄漏，以及與金屬反應(yīng)不易控制、產(chǎn)物檢驗難等問題，為實現(xiàn)對氯氣與鐵反應(yīng)過程與結(jié)果進行科學(xué)性、系統(tǒng)性地分析，將氯氣制備、性質(zhì)檢驗與產(chǎn)物驗證以及尾氣處理集中于一個密閉系統(tǒng)中，符合綠色環(huán)保理念。實驗裝置簡單、操作便捷及反應(yīng)現(xiàn)象明顯，不僅可以開展課堂演示實驗，也可以用于實驗室的創(chuàng)新實驗研究;這有利于學(xué)生通過實驗直觀地了解氯氣的性質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任。關(guān)鍵詞：氯氣;鐵;綠色化;集成化;實驗探究

文章編號：1008-0546（2022）08-0094-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.020

一、問題的提出

氯氣與金屬的反應(yīng)是學(xué)習(xí)氯氣性質(zhì)的重要內(nèi)容，具有很高的教學(xué)價值與意義。然而在實際教學(xué)中，往往由于氯氣的劇毒性、實驗的成功率低等，許多教師對該實驗望而卻步。許多調(diào)研報告與教學(xué)經(jīng)驗表明，學(xué)生的眼、手和腦三位一體協(xié)調(diào)性地參與化學(xué)實驗的次數(shù)越多，化學(xué)知識掌握越牢固，也越能夠有效促進學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的形成[1]。因此，教師可以充分發(fā)揮主觀能動性，將氣體的制備、性質(zhì)檢驗以及尾氣處理設(shè)計銜接成相互關(guān)聯(lián)、相互支撐的系統(tǒng)。

該部分內(nèi)容在人教版[2]、蘇教版[3]、魯科版[4]三版教材中都有性質(zhì)以及化學(xué)方程式的呈現(xiàn)，其中蘇教版和魯科版還有對應(yīng)的實驗操作步驟和結(jié)果的描述，不同的是魯科版還補充了相關(guān)實驗現(xiàn)象的插圖，有利于學(xué)生獲得直觀的體驗。從實驗操作步驟上來看，雖然教材上所呈現(xiàn)的實驗方案設(shè)計簡單、操作便捷，但存在以下問題：（1）氯氣需要提前制備，存在逸散污染以及由于逸散使得氯氣濃度降低導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯的可能;（2）沒有對產(chǎn)物進行驗證;（3）沒有進行尾氣處理。

針對教材實驗中的不足，不少教師和學(xué)者對鐵與氯氣反應(yīng)的實驗進行了改進。比如實驗過程中鐵絲徹底紅熱所需時間較長，而停止加熱又容易冷卻的問題，有不少學(xué)者對如何增大鐵的受熱面積進行改進[5，6]。對于逸散污染以及尾氣處理問題，許多學(xué)者將實驗裝置設(shè)計為密閉環(huán)境并增加尾氣處理部分[7，8]。這些實驗方案從不同角度進行探究，使得實驗在成功率、環(huán)保性和安全性等方面得到了提高，但是仍然存在一些問題：（1）有的實驗方案儀器較多，搭建不便，操作復(fù)雜，技巧性較高;（2）有的實驗理論上密閉性良好，實際操作卻存在困難;（3）有的實驗忽視了裝置內(nèi)殘余氯氣的處理。

基于此，筆者以氯氣與鐵反應(yīng)的過程與結(jié)果為導(dǎo)向進行實驗探究改進。將氯氣的制備、與金屬反應(yīng)、產(chǎn)物驗證以及尾氣處理集成化于一套密閉反應(yīng)裝置，實驗裝置簡單、步驟便捷和環(huán)境安全性高，能夠作為課堂實驗進行演示，有助于提高學(xué)生實驗思維的完整性、系統(tǒng)性和高階性，進而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力與社會責(zé)任意識。

二、鐵與氯氣反應(yīng)的實驗探究

1.實驗儀器的改進

根據(jù)實驗需要將氣體發(fā)生器、反應(yīng)器、尾氣處理三部分集成化，初步設(shè)計成如圖1-a所示裝置。實驗過程中發(fā)現(xiàn) KSCN 溶液會與 Cl2發(fā)生反應(yīng)生成硫氰（（SCN）2），無法驗證產(chǎn)物FeCl3，而且裝置內(nèi)殘余的氯氣也無法處理。于是通過查閱文獻找到了Y管[9]和W 管，雖然整個儀器內(nèi)口徑相同，可以較好地處理裝置內(nèi)的氯氣，但是Y管實驗裝置（如圖1-b所示）操作技巧性較強，難以保證藥品能夠準(zhǔn)確添加，而W管（如圖1-c所示）雖然能夠準(zhǔn)確添加藥品，但是如果右端彎管處的反應(yīng)液過多，會截斷氣體流通導(dǎo)致無法處理W管最左端的殘余氯氣。

李茂柯[10]利用 H 管設(shè)計了氯氣性質(zhì)檢驗一體化實驗，左管制備氯氣，右管檢驗性質(zhì)，整體裝置密封，無泄漏污染。周學(xué)工[11]利用 H 管設(shè)計了氯氣與銅反應(yīng)的改進實驗，在H管的右管管壁對銅加熱。因此，H 管能夠使相互聯(lián)系的不同反應(yīng)分開進行，還能夠進行加熱操作，能夠很好地契合本實驗。據(jù)此選擇H管并設(shè)計了如圖2所示實驗裝置。

2.實驗藥品的改進

（1）氯氣制備的藥品選取

氯氣的制備方法在高中階段主要有MnO2與濃鹽酸、KMnO4與濃鹽酸、KClO3與濃鹽酸、NaClO與鹽酸這四種反應(yīng)，這四種原料所涉及的反應(yīng)方程式如下： MnO2+4HCl（濃） MnCl2+ Cl2↑+2H2O

2KMnO4+16HCl（濃）=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

KClO3+6HCl（濃）= KCl +3Cl2↑+3H2O

NaClO +2HCl = NaCl + Cl2↑+ H2O

由于MnO2與濃鹽酸反應(yīng)需要加熱，操作不便，所以從 KMnO4、KClO3和NaClO中進行選擇。從綠色化學(xué)觀念出發(fā)，對三個反應(yīng)的原子利用率和環(huán)境因子進行計算和比較。

原子利用率=[（目標(biāo)產(chǎn)物的量）/（按化學(xué)計量式所得產(chǎn)物的量之和）]×100%=[（目標(biāo)產(chǎn)物的量）/（各反應(yīng)物的量之和）]×100%

原子利用率（KMnO4）=[（5×71）/（158×2+36.5×16）]×100%=39.44%

原子利用率（KClO3）=[（3×71）/（122.5+36.5×6）]×100%=62.4%

原子利用率（NaClO）=[71/（74.5+36.5×2）]×100%=48.14%

環(huán)境因子=[廢棄物質(zhì)量（副產(chǎn)物質(zhì)量）（kg）/目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量（kg）]

環(huán)境因子（KMnO4）=[（74.5×2+126×2+18×8）/（5×71）]=1.54

環(huán)境因子（KClO3）=[（74.5+18×3）/（3×71）]=0.60

環(huán)境因子（NaClO）=[（58.5+18）/71]=1.08

通過比較分析發(fā)現(xiàn)，KClO3的原子利用率最高，環(huán)境因子最小，產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)物最少。但是筆者查閱資料了解到KClO3與濃鹽酸反應(yīng)還會生成ClO2，這是一種黃綠色到橙黃色的氣體，容易分解發(fā)生爆炸，所以最終選擇NaClO。在實驗探究過程中發(fā)現(xiàn)NaClO與不同濃度的鹽酸均可反應(yīng)產(chǎn)生氯氣，但是本實驗還需要在達到鐵單質(zhì)反應(yīng)溫度后，迅速產(chǎn)生與鐵能夠發(fā)生反應(yīng)的足量氯氣，因此選擇濃鹽酸與NaClO進行實驗。

（2）鐵單質(zhì)材料的選取

鐵單質(zhì)的比表面積越大，反應(yīng)速率越快，為了得到最優(yōu)實驗藥品，可以選擇鐵粉、鐵屑（可視為細小的鐵片）和鋼絲棉（可視為極細的鐵絲）分別進行實驗，通過對比分析其實驗現(xiàn)象從而獲得最佳藥品。

3.實驗原理

濃鹽酸與NaClO反應(yīng)生成的氯氣與灼熱的鋼絲棉接觸時，生成棕褐色煙，迅速抽拉裝有KSCN溶液的注射器，可以觀察到注射器內(nèi)溶液由無色變血紅色。然后在H管的右管注入NaOH溶液中和鹽酸使反應(yīng)終止，并處理反應(yīng)體系中殘余的氯氣。其中涉及到幾個反應(yīng)，具體化學(xué)方程式為：

NaClO +2HCl = NaCl+Cl2↑+ H2O

2Fe +3Cl2 2FeCl3

FeCl3+3KSCN =3KCl + Fe（SCN）3

NaOH + HCl = NaCl + H2O

2NaOH + Cl2= NaCl+NaClO+H2O

4.實驗儀器與試劑

H管（15 cm*9 cm*Φ2 cm）、3號橡膠塞、5 mL注射器3支、酒精燈、小氣球、短玻璃導(dǎo)管、鐵架臺、鑷子、膠頭滴管、濃鹽酸、鐵粉、鐵屑、鋼絲棉、次氯酸鈉固體、6 mol/L氫氧化鈉溶液、蒸餾水、0.1 mol/L硫氰化鉀溶液。

5.實驗步驟

（1）根據(jù)圖2連接實驗儀器、組裝實驗裝置，檢查裝置氣密性。檢查裝置氣密性的方法為：用手握捏小氣球，若感到阻力，氣球存在回彈，則證明氣密性良好。

（2）向?qū)嶒瀮x器中添加藥品。在三支注射器中分別加入濃鹽酸、6 mol/L NaOH 溶液以及0.1 mol/L KSCN 溶液備用。在 H 管的左管加入約1 g NaClO固體，然后滴加少量蒸餾水，使用玻璃棒攪拌，使其呈糊狀。用膠頭滴管在H管的右管滴加3 mL蒸餾水，用鑷子將鋼絲棉送入 H 管的中部。將帶注射器的橡膠塞塞在H管管口。

（3）點燃酒精燈加熱鋼絲棉3 min左右，使鋼絲棉呈黑紅狀態(tài)后再熄滅酒精燈，然后迅速向H管的右管注入濃鹽酸。

（4）觀察到 H 管中彌漫著棕褐色煙時，向上抽拉裝有KSCN溶液的注射器的活塞桿。

（5）反應(yīng)結(jié)束后向 H 管的左管注入 NaOH 溶液， NaOH溶液注射完畢后，可充當(dāng)氣泵，加快裝置內(nèi)氣體流通速度，盡可能多地將裝置內(nèi)多余的氯氣吸收。

6.實驗現(xiàn)象與分析

（1）不同形態(tài)的鐵單質(zhì)與氯氣反應(yīng)

不同形態(tài)的鐵單質(zhì)與氯氣反應(yīng)的實驗現(xiàn)象如表1所示。從實驗準(zhǔn)備來看，鐵粉和鐵屑顆粒小，容易掉落在 H 管兩側(cè)的管中，會對實驗造成干擾，而鋼絲棉可以調(diào)節(jié)蓬松程度使其牢牢地固定在H管的中間，可操作性高。從加熱時間上來看，鋼絲棉<鐵粉<鐵屑。從實驗現(xiàn)象上來看，雖然鐵粉的比表面積大，但因鐵粉間比較致密，與氯氣的接觸面積小，所以反應(yīng)現(xiàn)象持續(xù)時間短、現(xiàn)象最不明顯，鐵屑次之，而鋼絲棉因為蓬松，所以與氯氣能夠充分接觸，現(xiàn)象最為明顯。綜上所述，選擇鋼絲棉作為與氯氣進行反應(yīng)的鐵單質(zhì)最合適。

（2）鋼絲棉與氯氣反應(yīng)

鋼絲棉加熱至紅熱后注入濃鹽酸，可以觀察到明顯的棕褐色煙，大約半分鐘后可以看到H管的右管中原本澄清透明的溶液變成黃色，說明反應(yīng)產(chǎn)物——棕褐色煙溶于水中。趁 H 管的右管中彌漫著棕褐色煙時，向上抽拉裝有KSCN溶液的注射器桿，可以看到注射器內(nèi)原本無色透明的 KSCN溶液變?yōu)檠t色，說明棕褐色煙中含有Fe3+，即氯氣與鐵在加熱的情況下生成了FeCl3。反應(yīng)結(jié)束后可以看到 H管壁附著大量黃色粉末固體，從顏色上也可以簡單判斷產(chǎn)物是FeCl3。

7.實驗注意事項與說明

（1）必須等到鋼絲棉紅熱后再制取氯氣，進行反應(yīng)，否則很難出現(xiàn)明顯的棕褐色煙現(xiàn)象，不利于學(xué)生觀察現(xiàn)象、進行學(xué)習(xí)。

（2）選擇高濃度的NaOH溶液進行實驗，保證既能夠中和剩余鹽酸，還能吸收裝置中殘余的氯氣。

（3）鹽酸濃度不宜過低，否則無法迅速提供足量濃度的氯氣使反應(yīng)順利進行，也不宜滴入過多鹽酸，否則NaOH溶液在中和剩余鹽酸后無法將裝置內(nèi)殘余的氯氣全部吸收。

（4）在冬天或者氣溫較低的地區(qū)，可以不移開酒精燈直接向H管的左管注入濃鹽酸，使鐵在持續(xù)加熱的條件下與氯氣發(fā)生反應(yīng)，以避免鐵冷卻過快導(dǎo)致實驗失敗。

三、改進優(yōu)點

1.綠色無污染。選擇原子利用率高、環(huán)境因子小的藥品在全封閉裝置中進行實驗，能夠防止氯氣泄漏，減少氯化鐵造成的空氣粉塵污染。注射器將反應(yīng)液注射完畢后，可充當(dāng)氣泵，促進裝置內(nèi)氣體流通，幫助氯氣盡可能被吸收，達到較好的尾氣處理效果，實現(xiàn)課堂實驗綠色環(huán)保，關(guān)注師生身體健康，符合化學(xué)無污染綠色原則。

2.操作簡便，演示性強，現(xiàn)象明顯。本實驗改進后，整套實驗裝置簡單，操作便捷，實驗從開始加熱到反應(yīng)結(jié)束只需要大約5 min，現(xiàn)象明顯，便于教師進行演示實驗，也可用于教師指導(dǎo)下的學(xué)生創(chuàng)新實驗研究。

3.成功率高。利用 H管將氯氣的制備、氯氣與鐵的反應(yīng)以及尾氣處理融于一套實驗裝置中進行，通過透明的H管可以觀察到鋼絲棉的加熱情況，便于準(zhǔn)確把控氯氣制備的時機;選擇濃鹽酸與NaClO反應(yīng)，產(chǎn)生氯氣的速率夠快，能夠迅速提供反應(yīng)所需濃度的氯氣; H管中非完全干燥環(huán)境，而氯氣與鐵反應(yīng)在濕潤條件比在干燥條件下更容易進行[12]，提高了實驗的成功率。

四、結(jié)語

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在實際教學(xué)中應(yīng)該充分發(fā)揮實驗的教學(xué)功能。尤其是有關(guān)有毒物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，一方面要注意操作安全，另一方面，良好的教學(xué)示范能夠幫助學(xué)生樹立辯證的化學(xué)觀念，改變“聞化色變”的狀況。本實驗以氯氣與鐵的反應(yīng)為例，基于“綠色化學(xué)”理念精心選擇NaClO與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣，無需加熱，能快速制取氯氣。同時通過實驗探究選擇鋼絲棉進行性質(zhì)檢驗實驗，現(xiàn)象明顯，具有很強的教學(xué)示范性，利于教與學(xué)質(zhì)量的提升。循環(huán)利用注射器使殘余氯氣能夠被完全吸收，實現(xiàn)有毒氣體零排放，符合綠色化學(xué)的環(huán)保理念。

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