氯氣制備及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

隋 穎

（江蘇省常州市北郊高級(jí)中學(xué) 江蘇 常州 231022）

一、問(wèn)題提出

氯是高中化學(xué)中重要的非金屬元素，氯氣及其化合物在生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應(yīng)用?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)于氯氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)的要求是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解氯及其化合物的重要性質(zhì)。［1］氯氣是一種有毒的黃綠色氣體，按照蘇教版化學(xué)必修1中氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法，即利用二氧化錳與濃鹽酸加熱制備氯氣，需要在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥中進(jìn)行，需要制備的氯氣量較大，有關(guān)氯氣溶解性、氧化性、漂白性等性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)也需要消耗大量氯氣，浪費(fèi)能源和原料，不符合綠色化學(xué)理念。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得化學(xué)知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)操作技能的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，激發(fā)對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的改變，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。［2］但由于氯氣、氯水的毒性，很多教師選擇播放實(shí)驗(yàn)視頻或者口述的方式講解實(shí)驗(yàn)，學(xué)生死記硬背，未能發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的功能。本文展示了兩組氯氣制備和性質(zhì)探究的微型實(shí)驗(yàn)裝置，可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)密閉裝置中鐵粉在氯氣中燃燒，經(jīng)過(guò)實(shí)踐均可用于課堂教學(xué)。

二、研究現(xiàn)狀

為了進(jìn)一步探索氯氣制備及性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)的新方法，筆者查閱了大量期刊和文獻(xiàn)。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置集中于氯氣制備及性質(zhì)探究的一體化上。閻潤(rùn)鴻老師［3］、李猛老師［4］、張澤志老師［5］的一體化裝置分別如圖1、圖2、圖3 所示。一體化實(shí)驗(yàn)裝置把氯氣的制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)濃縮于同一體系，減少了氯氣的用量，注重尾氣的處理，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)各有千秋。但是一體化實(shí)驗(yàn)裝置所需儀器較多，操作繁瑣，特殊儀器難以獲得，裝置氣密性難以控制，可復(fù)制性和實(shí)用性有待商榷，更不可能實(shí)現(xiàn)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)；一體化實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生同時(shí)觀察記錄多個(gè)現(xiàn)象，“手忙腳亂”，迷失學(xué)習(xí)目標(biāo)，不利于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和高階思維發(fā)展，不利于科學(xué)探究核心素養(yǎng)的發(fā)展。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)是為教學(xué)服務(wù)，而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)已偏離教學(xué)本身，呈現(xiàn)“難、繁、偏”特征，將簡(jiǎn)單的問(wèn)題復(fù)雜化。［6］

圖1 閻潤(rùn)鴻老師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 李猛老師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 張澤志老師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

三、實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化與改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）通過(guò)微型化實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)制備氯氣、探究氯水成分。

（2）簡(jiǎn)化氯氣在水中的溶解實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)現(xiàn)鐵粉在氯氣中燃燒，實(shí)驗(yàn)綠色化。

2.實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：西林瓶、輸液針、注射器、鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)、酒精燈、離心管。

實(shí)驗(yàn)藥品：濃鹽酸、KMnO4固體、NaOH溶液、蒸餾水、淀粉-KI 試紙、pH 試紙、稀HNO3酸化的AgNO3溶液、鐵粉、脫脂棉、無(wú)水CaCl2固體、NaBr溶液、CCl4。

3.實(shí)驗(yàn)服務(wù)教學(xué)

（1）制備氯氣的原理

2KMnO4+16HCl（濃）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2）氯氣性質(zhì)檢驗(yàn)

①與金屬反應(yīng)：在加熱條件下氯氣能與鐵粉反應(yīng)生成氯化鐵。

②氯氣檢驗(yàn)：氯氣可使?jié)駶?rùn)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)。

③酸性：氯氣與水反應(yīng)生成鹽酸，可以使pH試紙變紅，與稀硝酸酸化的硝酸銀溶液反應(yīng)生成氯化銀。

④氧化性：氯氣可與溴化鈉溶液反應(yīng)生成溴單質(zhì)，CCl4層顯黃色。

⑤漂白性：氯氣沒(méi)有漂白性，氯氣與水反應(yīng)生成的次氯酸具有漂白性。

⑥與堿反應(yīng)：氯氣可與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，用于氯氣尾氣處理。

四、實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)驗(yàn)原理

（1）鐵粉在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。左側(cè)西林瓶中套有一裝有KMnO4固體的離心管，底部裝有少量鐵粉（注意鐵粉用量不宜過(guò)多）。右側(cè)西林瓶中裝有氫氧化鈉溶液，為尾氣處理裝置。

圖4 鐵粉在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)裝置

（2）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)制備氯氣及性質(zhì)檢驗(yàn)裝置如圖5。通過(guò)注射器向高錳酸鉀固體中加入濃鹽酸即可制備少量氯氣，氫氧化鈉溶液為尾氣處理裝置。通過(guò)注射器向水中注入少量氯氣即可獲得氯水，如果氯水中含有氯氣分子即氯氣溶于水會(huì)使淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，氯水能使pH 試紙變紅說(shuō)明氯氣并不是簡(jiǎn)單的溶于水，還與水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)生成鹽酸。氯水可使溴化鈉溶液（含四氯化碳）下層變黃，說(shuō)明氯水中氯氣分子具有氧化性。

圖5 氯氣制備及性質(zhì)檢驗(yàn)分組實(shí)驗(yàn)裝置

（3）氯水漂白性成分探究分組實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。左側(cè)為氯氣發(fā)生裝置，中間西林瓶上方為用脫脂棉包裹的無(wú)水氯化鈣固體，用于干燥氯氣，下方為固定在瓶壁兩側(cè)的干燥和濕潤(rùn)的紅紙，右側(cè)西林瓶為尾氣處理裝置。

圖6 氯水漂白性成分探究分組實(shí)驗(yàn)裝置

五、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）如圖4所示安裝好儀器（氣密性良好），向離心管中緩慢加入濃鹽酸，注意液體不能溢出離心管，可以觀察到西林瓶中產(chǎn)生黃綠色氣體，反應(yīng)一段時(shí)間后，停止滴加。通過(guò)石棉網(wǎng)加熱西林瓶，一段時(shí)間后，觀察到鐵粉開(kāi)始燃燒（及時(shí)撤走酒精燈），產(chǎn)生棕黃色煙。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后向西林瓶中注入氫氧化鈉溶液吸收多余氯氣。

（2）如圖5 所示安裝好實(shí)驗(yàn)儀器。用藍(lán)色注射器（1 mL）吸取0.1 mL 濃HCl（嚴(yán)格控制濃鹽酸用量以控制氯氣的量）全部注入高錳酸鉀中，拔出注射器。反應(yīng)約30秒后，用另一個(gè)白色注射器（2.5 mL）抽取2 mL左右瓶?jī)?nèi)氣體，并將其慢慢打入蒸餾水中，輕微振蕩使其混合均勻。此時(shí)白色注射器無(wú)需拔出，直接吸取約1 mL 氯水，向裝有淀粉-KI 試紙的西林瓶中滴加1 滴，可觀察到試紙變藍(lán)；向裝有pH試紙的西林瓶中滴加1滴，可觀察到pH 試紙中間變白，周圍略帶紅色；同樣操作下，可觀察到稀HNO3酸化的AgNO3溶液中產(chǎn)生白色沉淀；溴化鈉溶液中（含四氯化碳）下層呈黃色。

（3）如圖6 所示安裝好儀器，滴加約0.1 mL 濃鹽酸，一段時(shí)間后可以觀察到干燥的紅色紙條幾乎無(wú)變化，濕潤(rùn)的紅色紙條顏色變成黃色。關(guān)于紅色紙條的選擇：本實(shí)驗(yàn)中選擇的是顏色比較深、吸水性較好的紅色宣紙，可較快觀察到褪色現(xiàn)象。pH 試紙顏色較淺，不易觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；有色布條吸水性較差，觀察到顏色變化需要較長(zhǎng)時(shí)間。

六、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)與反思

1.實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)以西林瓶、注射器為主要儀器，設(shè)計(jì)了氯氣制備及性質(zhì)探究的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，以及密閉環(huán)境中鐵粉在氯氣中的燃燒實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）藥品微量、現(xiàn)象明顯：原料的利用率高，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)所用氯氣量少，現(xiàn)象明顯，體現(xiàn)了節(jié)約理念；（2）可操作性強(qiáng)：實(shí)驗(yàn)裝置主要利用西林瓶和注射器，所用儀器種類少，器材無(wú)需組裝，操作簡(jiǎn)單。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)盒如圖7所示；（3）綠色環(huán)保：裝置幾乎全封閉，反口膠塞具有非常好的密閉性能，學(xué)生實(shí)驗(yàn)幾乎不會(huì)有氯氣泄漏問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保無(wú)污染；（4）可控性強(qiáng)：實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制濃鹽酸用量，保證以最少的藥品達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果，減少浪費(fèi)；（5）普適性強(qiáng)：該裝置可用于其他有毒氣體的制備及氣體性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、鹵素間置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。

圖7 分組實(shí)驗(yàn)盒

2.實(shí)驗(yàn)反思

實(shí)現(xiàn)學(xué)生親手制備氯氣、氯水，進(jìn)而探究其性質(zhì)是設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的初衷。課堂實(shí)踐表明學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)效果現(xiàn)象明顯，成功率高，學(xué)生無(wú)需因氯氣有毒而回避，親身體會(huì)到實(shí)驗(yàn)探究的樂(lè)趣，改變當(dāng)前化學(xué)實(shí)驗(yàn)重結(jié)論輕過(guò)程、重理論輕體驗(yàn)的現(xiàn)狀。［7］實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是手段，在“綠色化、微型化、可操作性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯”原則下，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的目的是發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的核心素養(yǎng)。