過硫酸鉀與鹽酸制取氯氣的最佳條件探索*

吳佳鑫，丁浩棟，吳嘉欣，梁永鋒

(寧夏師范學院 化學化工學院，寧夏 固原 756000 )

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》明確提出，普通高中化學教育教學過程中，要全面發(fā)展學生的“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”化學學科核心素養(yǎng)[1]?；瘜W是以實驗為基礎的自然科學，化學實驗既是化學科學賴以形成和發(fā)展的基礎，也是檢驗化學科學知識是否正確的真理性標準。因此，化學實驗不僅是化學課程教學中的重要構(gòu)成內(nèi)容，同時也是實施化學教學的重要途徑?；瘜W實驗教學對于培養(yǎng)學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”等化學核心素養(yǎng)，尤其是對學生掌握科學實驗的初步方法和技能具有重要價值。通過化學實驗不僅可以幫助學生形成化學概念，理解和鞏固化學知識，獲得實驗技能，而且通過有計劃地、周密地、觀察實驗現(xiàn)象和通過分析、推理、判斷等思維活動，有利于學生的觀察能力、想象能力、記憶能力和思維能力培養(yǎng)。

“氯及其化合物”是“物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化”無機物性質(zhì)主題大概念下非金屬及其化合物的核心知識之一。江蘇鳳凰教育出版社2020年6月出版的《普通高中化學教科書必修》第一冊和人民教育出版社2019年4月出版的《普通高中化學教科書必修》第一冊中均選編了氯氣的實驗室制法及性質(zhì)[2-3]。高中化學中通過氯氣的制備和性質(zhì)實驗學習，促使學生的科學態(tài)度與社會責任、實驗探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)得到發(fā)展，也將使學生的宏觀辨識與微觀、變化觀念與平衡思想等化學核心素養(yǎng)得到提升。為保證高中化學教學中氯氣制備演示實驗和學生實驗的教學效果，為中學化學教師和學生提供多樣化的實驗室制備氯氣的方法，開展實驗室制備氯氣實驗的改進具有非常重要的意義。

1 用二氧化錳與濃鹽酸共熱制氯氣的缺陷

2 過硫酸鉀制取氯氣的原理及可行性

2.1 過硫酸鉀與鹽酸反應制備氯氣的原理

過硫酸鉀與鹽酸的反應為：

2.2 過硫酸鉀與鹽酸反應作制取氯氣可行性

3 鹽酸最低濃度及反應速率探索

3.1 實驗試劑及主要儀器

K2S2O8，HCl(38%)，KCl飽和溶液，分液漏斗，250 mL 圓底燒瓶，酒精燈，鐵架臺，125 mL 的集氣瓶，NaOH溶液。

3.2 實驗步驟

1)根據(jù)教科書中氯氣制備及性質(zhì)實驗所需要的氯氣，初步實驗過程中每次取38%(12 mol·L-1)的鹽酸 12.6 mL，然后根據(jù)實驗方案中規(guī)定的鹽酸濃度加入計量的蒸餾水，使之達到規(guī)定的濃度與 10 g K2S2O8反應。

2)實驗裝置如圖1所示，采用 125 mL 集氣瓶計量。

圖1 實驗室用過硫酸鉀與鹽酸制取氯氣裝置

3)實驗開始用酒精燈加熱至過硫酸鉀固體完全溶解后停止加熱，并撤去酒精燈。

3.3 實驗方案及實驗結(jié)果

實驗方案及實驗結(jié)果見表1。

4 最佳條件的確定

4.1 實驗指標的確定

本實驗選定Cl2產(chǎn)率和生成Cl2時間為指標，再綜合評價實驗結(jié)果的優(yōu)劣。

指標1：Cl2產(chǎn)率是本實驗考核的主要指標，占70%；

指標2：Cl2產(chǎn)生時間作為本次實驗的次要指標，占30%。

以3.3節(jié)中用38%HCl與水體積比1∶7(1.5 mol·L-1鹽酸)收集1瓶氯氣(125 mL)所用時間 90 s為100分。在此基礎上，時間每延長 20 s 減10分，每減少 20 s 加10分。

4.2 實驗因素、水平的選定

本實驗選擇的因素有：過硫酸鉀的質(zhì)量、38%鹽酸與水的體積比、38%鹽酸的體積。每個因素分別選取三個不同水平進行實驗。具體見表2。

表2 實驗因素水平表

4.3 實驗方案及其結(jié)果分析

本實驗是三因素三水平實驗，選用L9(34)正交表安排實驗。實驗方案及其結(jié)果分析見表3。

5 結(jié)論

1)實驗表明,用過硫酸鉀與鹽酸反應制備氯氣的最佳條件是A2B1C1,即取 10.15 g 氯酸鉀放入圓底燒瓶中,用分液漏斗加入 11.6 mL 38%的鹽酸,按照VHCl∶VH2O=1∶6用蒸餾水稀釋。在此條件下反應速率適中,收集到的氯氣得率比較高,而且收集到的氯氣完全可以滿足探究氯氣化學性質(zhì)的要求。

2)綜合分析表明,用過硫酸鉀與鹽酸反應制備氯氣在所選定的因素、水平范圍內(nèi),各因素對實驗指標影響的主次關系為:

3) 實驗發(fā)現(xiàn),用過硫酸鉀與鹽酸反應制取氯氣,避免了二氧化錳與濃鹽酸共熱制取氯氣實驗中的缺陷,同時實驗過程中沒有白霧產(chǎn)生,實驗現(xiàn)象明顯,反應速率適中,完全滿足了課堂演示和學生實驗的要求。因此,建議高中化學教學中選用過硫酸鉀與鹽酸反應制取氯氣的實驗進行課堂演示和學生實驗。

4) 此方法也為實驗室制取氯氣提供了一種新的途徑。