實(shí)驗(yàn)室低溫液化、凝固氯氣及封管的制作

任萃毅 汪潔 阮佳琦

摘要： 在高中化學(xué)制備氯氣實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將適量氯氣在常溫常壓下封裝于安瓿瓶中，通過(guò)低溫冷凝、凝固再升溫，幫助學(xué)生觀察到以下四個(gè)過(guò)程：氣體變液體的液化過(guò)程，液體變氣體的氣化過(guò)程，液體變固體的凝固過(guò)程，固體變液體的熔化過(guò)程，拓展相關(guān)知識(shí)。并讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到封管實(shí)驗(yàn)法可有效降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，且便于實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行以及循環(huán)展示。

關(guān)鍵詞： 氯氣； 液化； 凝固； 封管

文章編號(hào)： 10056629（2024）01006803

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

封管實(shí)驗(yàn)是將化學(xué)物質(zhì)密封在容器中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。市售的封管（也稱安瓿瓶）選用軟質(zhì)玻璃吹制，管一端有一段細(xì)頸。實(shí)驗(yàn)物質(zhì)事先放入管中后在管口細(xì)頸處加熱，待玻璃呈紅熱狀時(shí)，在火焰上用工具慢慢拉拔熔封即得到待用的封管。封管實(shí)驗(yàn)所存試劑通常為數(shù)滴或幾小粒，大大節(jié)約成本，尤其減少對(duì)環(huán)境污染。同時(shí)，封管實(shí)驗(yàn)往往只需一次制作就可以反復(fù)、長(zhǎng)久使用，且操作簡(jiǎn)單［1］。

由于封管實(shí)驗(yàn)具有以上優(yōu)點(diǎn)，故現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中也引入了封管實(shí)驗(yàn)，如上海科學(xué)技術(shù)出版社出版的《化學(xué)（必修）》［2］第一冊(cè)第77頁(yè)“二氧化硫與品紅”的演示實(shí)驗(yàn)、第88頁(yè)“氯化銨受熱分解”的演示實(shí)驗(yàn)；上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版的《化學(xué)（必修）》第二冊(cè)第53頁(yè)“溫度對(duì)化學(xué)平衡影響”的演示實(shí)驗(yàn)。這一類實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)改變溫度，使得體系顏色或發(fā)生改變，生成新的物質(zhì)，待溫度恢復(fù)到室溫后，又重新恢復(fù)到物質(zhì)起始狀態(tài)。但這類封管實(shí)驗(yàn)中整個(gè)體系處于密閉狀態(tài)，溫度變化使得體系壓強(qiáng)變化也相對(duì)明顯，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不宜強(qiáng)熱或高溫，否則會(huì)導(dǎo)致玻璃管碎裂。

氯氣的性質(zhì)是高中階段《化學(xué)（必修）》第一冊(cè)氯及其化合物中的重點(diǎn)知識(shí)。氯氣容易液化，在1.01×105Pa下-34.04℃時(shí)冷凝成液體、-101.5℃時(shí)冷凝成固體。查閱現(xiàn)有各類資料，大多是將制備出的氯氣暫存于試管或者燒瓶中，使用干冰冷凝得到液氯，教學(xué)演示之后氯氣不能長(zhǎng)久保存。筆者在選擇市場(chǎng)上能夠購(gòu)買到的材料多次實(shí)驗(yàn)后，將少量氯氣在常壓下注入安瓿瓶，封口成封管后置于常溫常壓下可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，在演示氯在不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程時(shí)，隨時(shí)取用，現(xiàn)象直觀明了、使用安全可靠。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 氯氣的生成

氣體發(fā)生采用KMnO4與濃鹽酸反應(yīng)得到氯氣，避開(kāi)MnO2制備氯氣需要加熱的條件。產(chǎn)生等量氯氣材料消耗少，轉(zhuǎn)化率高；在得到足夠量的氯氣［3］時(shí)有效減少氯化氫氣體的排放。反應(yīng)的方程式如下：

2KMnO4+16HCl（濃）2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

制得的氯氣用飽和食鹽水洗脫氯化氫，再用濃硫酸除去水蒸氣得到干燥的氯氣［4］。

1.2 冷浴裝置

冷浴裝置1使用干冰乙醇混合物時(shí)（溫度約為-72℃），可以保證氯氣液化；冷浴裝置2使用液氮時(shí)（溫度約-196℃），可以保證得到固態(tài)氯。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器：磨口抽濾瓶（250mL）、恒壓滴液漏斗（50mL）、兩只洗氣瓶（250mL）、漏斗（直徑90mm）、水槽、T型三通管、螺旋夾、乳膠管、醫(yī)用輸液管（外直徑3mm）、安瓿瓶（35mL，無(wú)色透明）、高硼硅玻璃管（壁厚1.5mm，內(nèi)徑6mm）、石英管（壁厚1.5mm，內(nèi)徑6mm）、耐壓防爆瓶（具有聚四氟乙烯蓋，75mL）、MAPP灌裝氣體及噴槍、保溫杯（350mL）、數(shù)據(jù)采集器（Vernier，型號(hào)LabQuest3）、熱電偶溫度傳感器（Vernier，測(cè)溫范圍200～1400℃）

試劑：高錳酸鉀（AR）、12mol·L-1鹽酸（AR）、干冰（食品級(jí)）、液氮（純度≥99%）、無(wú)水乙醇（CP）、淀粉KI試紙、10%NaOH尾氣吸收液（CP， 2～3L）

2.2 制氣裝置圖

制備與收集氯氣裝置見(jiàn)圖1、圖2。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

2.3.1 制備氯氣

在通風(fēng)櫥中按圖1連接好裝置，檢查氣密性。

稱取7.0g KMnO4置于抽濾瓶中，向恒壓滴液漏斗中加入40.0mL濃鹽酸。吸收池內(nèi)盛有10%的NaOH溶液，插入倒置漏斗，漏斗連接三通管。用螺旋夾關(guān)閉T型三通管通向吸收槽一端的管路，打開(kāi)滴液漏斗滴加濃鹽酸，待反應(yīng)變得連續(xù)而均勻穩(wěn)定后，開(kāi)始收集氯氣，收集一段時(shí)間后（時(shí)間依收集容器大小各異）開(kāi)始用濕潤(rùn)的淀粉KI試紙靠近容器口檢驗(yàn)氯氣是否已經(jīng)集滿（試紙變藍(lán)，表示已收集滿）。收集結(jié)束后，關(guān)閉通向收集氯氣的管路，打開(kāi)通向吸收槽的管路吸收多余氯氣。

2.3.2 不同選材和封裝嘗試

使用不同材料的收集容器，嘗試了以下四種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3.2.1 高硼硅玻璃管收集

用壁厚1.5mm、內(nèi)徑6mm高硼硅玻璃管，收集了高度約10cm的氯氣，立即封管。將收集的氯氣低溫液化，發(fā)現(xiàn)生成液氯的量不足，不利于現(xiàn)象的觀察。

2.3.2.2 石英管收集

石英玻璃的耐壓高于普通玻璃，因此嘗試使用一端封閉的石英管在冷浴環(huán)境下直接收集液氯，由于MAPP燃?xì)饣鹧鏈囟炔蛔阋匀诨⒉馁|(zhì)，若使用氧炔焰熔封則脫離了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的客觀條件。也考慮過(guò)比較粗的有機(jī)玻璃管，但有資料說(shuō)氯氣對(duì)有機(jī)玻璃有腐蝕作用，出于謹(jǐn)慎將該材料排除。

2.3.2.3 耐壓防爆瓶收集

使用耐壓防爆瓶進(jìn)行試驗(yàn)，這種管狀瓶子可以耐受3～4個(gè)大氣壓。瓶塞是聚四氟乙烯制品，無(wú)懼氯氣腐蝕。我們將它置于干冰乙醇冷浴中收集了一定量的液氯，之后在冰箱冷凍環(huán)境（-16℃）安全存放了兩周。但這種用不同質(zhì)地材料非一體化密封是否經(jīng)得住長(zhǎng)期保存，且隨后相變實(shí)驗(yàn)過(guò)程體系壓力高出一個(gè)大氣壓是否安全均有待驗(yàn)證。另外成本價(jià)格稍高。

2.3.2.4 安瓿瓶收集

使用安瓿瓶收集進(jìn)行試驗(yàn)，在常壓下直接封口，這樣可得到足夠的氯氣，而且可以用來(lái)演示液化、固化和氣化過(guò)程。先進(jìn)行理論預(yù)估：按室溫18℃、 101.325kPa、安瓿瓶體積35.0mL，用理想氣體方程pV=nRT計(jì)算后得知大約可得到n=0.001465mol，即0.1040g氯氣。經(jīng)查閱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)，知液氯密度為1.5625g·cm-3，冷凝后體積約0.07mL，這大概是50.00mL酸堿滴定管2～3滴左右的量。

2.3.3 封管制作

集滿氯氣后用噴槍火焰迅速密封安瓿瓶口，等熔封處冷卻至室溫后將安瓿瓶倒置，再次用濕潤(rùn)淀粉KI試紙靠近封口，查看是否熔封嚴(yán)密。

2.3.4 低溫液化

取少量干冰置于保溫杯中，緩慢倒入無(wú)水乙醇，由于溫度劇變，生成大量二氧化碳?xì)怏w，混合物呈“沸騰”狀態(tài)，使乙醇蓋過(guò)干冰3cm左右高度即可。將封有氯氣的安瓿瓶置于其中冷浴，經(jīng)熱電偶實(shí)測(cè)冷浴體系溫度為-67.3℃。封管中的黃綠色氣體逐漸消退，管底凝結(jié)出非常明顯的金黃色油狀液體。從保溫瓶取出后伴隨溫度升高，可以看到液氯不斷氣化減少、黃綠色氣體漸濃。

同樣的方法，取少量液氮置于保溫杯中，待杯中溫度穩(wěn)定后，熱電偶實(shí)測(cè)冷浴體系為-140.5℃，將封管置于其中冷浴。封管中的黃綠色氣體逐漸消退，瓶底出現(xiàn)非常明顯的淡黃綠色固體。從保溫瓶取出后伴隨溫度升高，可以看到固態(tài)氯先轉(zhuǎn)變?yōu)榻瘘S色油狀液氯，再轉(zhuǎn)化為黃綠色氣態(tài)氯。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中務(wù)必保持良好的通風(fēng)環(huán)境和安全措施，建議在室溫20℃以下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在比較過(guò)幾種收集裝置后，最終選用安瓿瓶收集足夠量的氯氣，它不僅可在常溫常壓下長(zhǎng)期保存、隨用隨取，同時(shí)也能更好地降低氯氣對(duì)環(huán)境的污染。

在溫度的變化中實(shí)現(xiàn)氯分子狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，氣態(tài)變液態(tài)是液化過(guò)程，液態(tài)變氣態(tài)是汽化過(guò)程，液化與

氣化過(guò)程是互為逆過(guò)程；液態(tài)變固態(tài)是凝固過(guò)程，固態(tài)變液態(tài)是熔化過(guò)程，凝固與熔化也是互為逆過(guò)程。在物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，其化學(xué)鍵并未發(fā)生斷裂，沒(méi)有新的物質(zhì)生成，都是物理變化；且它們只是改變分子之間的間隙，發(fā)生了分子間勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，故在不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)也就表現(xiàn)出了吸熱或放熱；不同物質(zhì)狀態(tài)氯分子也發(fā)生了顏色的變化，這些變化也與其氯分子本身的結(jié)構(gòu)有一定的相關(guān)性，固態(tài)氯的顏色明顯比液態(tài)氯的顏色淺，這與文獻(xiàn)［5］上所說(shuō)的“鹵素的顏色是電子由最高占有反鍵結(jié)πg(shù)分子軌域躍遷至最低反鍵結(jié)σu分子軌域時(shí)所形成，其色澤會(huì)隨溫度降低而變淺，在-196℃時(shí)固態(tài)氯幾近無(wú)色的”是貼近的。

該方法也存在以下問(wèn)題：氯氣在由氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于分子間距的減小，導(dǎo)致體積也急劇變化。由于封管實(shí)驗(yàn)本身收集氯氣的量相對(duì)較小，如操作不慎，最終得到液氯的量會(huì)更少，導(dǎo)致相變實(shí)驗(yàn)觀察難度增加?？煽紤]在收集的過(guò)程中直接在冷浴的條件下收集，將氣體直接在常壓下冷卻液化，這樣就可以收集到較多的液氯，便于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。但要注意容器的耐壓性，確保氯氣完全氣化后容器不會(huì)爆裂。事先要在理論上計(jì)算好氣化后的溫度、壓力以及容器的耐壓性、后期實(shí)驗(yàn)防爆安全等事宜。

參考文獻(xiàn)：

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