實驗室制取氯氣的氧化劑及制取條件研究

摘 要：針對目前高中化學(xué)教科書中制取氯氣實驗存在反應(yīng)原理學(xué)生難以理解等不足，從經(jīng)濟(jì)效益，原料的易得性和鹽酸的利用率三個方面考慮，提出了實驗室用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣，并利用正交試驗法探討了該方法制取氯氣的最佳實驗條件。實驗表明，用該方法制取氯氣，克服了教科書中制取氯氣實驗中的不足，且現(xiàn)象明顯、原料廉價易得、鹽酸利用率高。因此，建議高中化學(xué)教學(xué)中利用該方法進(jìn)行氯氣制取演示實驗和學(xué)生實驗。

關(guān)鍵詞：氯氣制備；氧化劑選擇；實驗室；最佳條件；氯酸鉀與鹽酸

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

氯氣是一種用途廣泛的化工原料，主要用于有機(jī)染料、鹽酸、炸藥、有機(jī)溶劑、合成塑料、橡膠及化學(xué)試劑的制備，廣泛用于紙張、布匹的漂白，飲用水的消毒和處理某些工業(yè)廢水，工業(yè)上常用食鹽溶液電解法、熔鹽電解法和氧化法制備氯氣，而少量的氯氣或?qū)嶒炇乙话悴捎醚趸ㄖ苽?。實驗室制備氯氣是教育部新頒布的《中小學(xué)實驗教學(xué)基本目錄（2023版）》[1]高中化學(xué)教學(xué)中的必做實驗之一。通過該實驗可使學(xué)生了解和掌握常見氣體制備的一般原理、實驗裝置的選擇，訓(xùn)練學(xué)生基本的實驗操作技能等。眾所周知，化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)實驗既是化學(xué)科學(xué)賴以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是檢驗化學(xué)科學(xué)知識是否正確的真理性標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)實驗不僅是化學(xué)課程教學(xué)中的重要構(gòu)成內(nèi)容，同時也是實施化學(xué)教學(xué)的重要途徑。化學(xué)實驗教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)起著關(guān)鍵作用，尤其是對學(xué)生掌握科學(xué)實驗的初步方法、技能和訓(xùn)練學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力具有重要價值?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[2]必修課“化學(xué)科學(xué)與實驗探究”主題中明確提出“學(xué)習(xí)研究物質(zhì)性質(zhì)，探究反應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行物質(zhì)分離、檢驗和制備等不同類型化學(xué)實驗及探究活動的核心思路與基本方法”，“常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”主題中提出“了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性質(zhì)”。江蘇鳳凰教育出版社新編出版的高中化學(xué)教科書必修第一冊和人民教育出版社新編寫出版的高中化學(xué)教科書必修第一冊均選編了氯氣的實驗制法及性質(zhì)。通過氯氣的制法和性質(zhì)實驗教學(xué)，使學(xué)生從元素價態(tài)認(rèn)識物質(zhì)的多樣性和物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上幫助學(xué)生構(gòu)建基于物質(zhì)類別、元素價態(tài)和物質(zhì)特性認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的模型。

一、化學(xué)教科書中選編的實驗室制取氯氣的不足

二、實驗室制備氯氣氧化劑的選擇

實驗室制備氯氣一般采用氧化劑與鹽酸反應(yīng)，理論上來說，除MnO2外，實驗室常用的強(qiáng)氧化劑有K2S2O8、K2Cr2O7、KMnO4、KClO3、PbO2、NiO2、Co2O3等，若用以上強(qiáng)氧化劑與鹽酸反應(yīng)制備氯氣，需先對其理論上的可行性進(jìn)行分析。

（一）不同氧化劑與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的反應(yīng)原理及可行性分析

不同氧化劑與鹽酸反應(yīng)制備氯氣自發(fā)反應(yīng)的可行性分析結(jié)果如表1所示。

表1表明，根據(jù)反應(yīng)原理及可行性分析，利用K2S2O8、KMnO4、KClO3、PbO2、NiO2、Co2O3這6種氧化劑均可與鹽酸反應(yīng)制備氯氣。

（二）從經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析

根據(jù)不同氧化劑與鹽酸反應(yīng)的計量關(guān)系，計算實驗室利用以上6種氧化劑與鹽酸反應(yīng)制備1mol氯氣，其成本結(jié)果如表2。

表2表明，從經(jīng)濟(jì)效益的視角優(yōu)先選擇的氧化劑依次為KMnO4>KClO3>K2S2O8>NiO2> Co2O3>PbO2，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、原料的易得性和鹽酸的利用率，本實驗選擇氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣。

三、氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣最佳實驗條件的探索

（一）氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)的最小濃度及實際反應(yīng)速率的測定

（1）實驗試劑及主要儀器

試劑：KClO3，HCl（38%），KCl飽和溶液， NaOH溶液，淀粉KI試紙；

儀器：集氣瓶（ 125mL ），圓底燒瓶（250mL），分液漏斗，廣口瓶，酒精燈，石棉網(wǎng)，鐵架臺，燒杯。

（2）實驗步驟

①依據(jù)教學(xué)中氯氣的制備及性質(zhì)實驗需要氯氣的體積，每次取38%的鹽酸9mL（物質(zhì)的量12mol·L-1），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(dá)到規(guī)定的濃 2. 4g KClO。度與3反應(yīng)

②實驗裝置如圖1所示，用125mL集氣瓶收集計量。

③實驗開始用酒精燈加熱，反應(yīng)裝置中有黃綠色氣體出現(xiàn)時，停止加熱。

（3）實驗方案及實驗結(jié)果

實驗方案及實驗結(jié)果見表3。

（二）實驗室氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的最佳條件

（1）實驗指標(biāo)的確定

根據(jù)教學(xué)中演示實驗和學(xué)生實驗的要求，本實驗選定Cl2的產(chǎn)率和生成Cl2的時間作為指標(biāo)，再綜合評價實驗結(jié)果的優(yōu)劣。

指標(biāo)1：Cl2的產(chǎn)率是本實驗考核的主要指標(biāo)，占60%；

指標(biāo)2： Cl2產(chǎn)生的時間作為本次實驗的次要指標(biāo)，占40%。以表3中用38%HCl與水體積比1∶6收集1瓶氯氣所用的時間為參照，在此基礎(chǔ)上時間每延長30s減5分，每減少30s加5分。

（2）實驗因素、水平的選定

根據(jù)表3初步實驗的結(jié)果，本實驗選擇的因素有38%鹽酸的體積，氯酸鉀的質(zhì)量，38%鹽酸與水的體積比，每個因素分別選取三個不同水平進(jìn)行實驗，見表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5。

綜合分析結(jié)果表明，實驗室用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的主要影響因素是鹽酸的體積，在所選定的因素、水平范圍內(nèi)，各因素對實驗指標(biāo)影響的主次關(guān)系為：A（38%鹽酸的體積）>B（鹽酸與水的體積比） >C（氯酸鉀的質(zhì)量），最佳制備條件是A3B1C3。

（4）多因素對實驗室用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的影響

方差分析結(jié)果表明（見表6），38%鹽酸體積和鹽酸與水體積比是氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制取氯氣的主要影響因素，而氯酸鉀的質(zhì)量對制取氯氣的產(chǎn)率和速率影響不顯著。因此，實驗室用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣時應(yīng)該控制好鹽酸的體積和鹽酸與水的體積比。

四、氯氣的純化及安全性分析

②研究表明，教學(xué)中用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)進(jìn)行氯氣制備的課堂演示或?qū)W生實驗，克服了教科中用二氧化錳與濃鹽酸共熱制取氯氣實驗的不足，實驗過程中用的是稀鹽酸（2mol·L-1），避免了氯化氫的揮發(fā)，既環(huán)保又節(jié)約，且實驗現(xiàn)象明顯，反應(yīng)速率適中，完全滿足教學(xué)演示和學(xué)生實驗的要求。因此，建議無論是化學(xué)教學(xué)還是實驗室需要少量的氯氣均可選用氯酸鉀與鹽酸反應(yīng)進(jìn)行氯氣的制取。該方法為實驗室制取氯氣提供了一種新的思路，也為氧化法制備氯氣提供了一種新的途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心（中央電化教育館）制定. 中小學(xué)實驗教學(xué)基本目錄（2023 年版）[EB/ OL]. （2023-11-23）[2024-5-22]. https：∥www. ncet. edu. cn/ zhuzhan/ ywgzsyjx/ 20231123/ 59 87. html.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]王祖浩.普通高中教科書·化學(xué)（必修第一冊）[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020.

[4]人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書·化學(xué)（必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)（下冊第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]李祥瑞，曾紅梅，周向葛.無機(jī)化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[7]龔秋紋，郭有華，洪全，李農(nóng).實驗室制備氯氣適宜條件的探討[J].重慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1996（3）：89-94.

[8]梁永鋒.實驗室制氯氣的最佳實驗條件的探討[J].化學(xué)教學(xué)，2002（12）：7-8.

[9]吳正帥，滕立玲.氯氣的制取以及氯水的制備和取用一體化設(shè)計[ J].中小學(xué)實驗與裝備，2020，30（5）：34-35.

[10]張金水.對中學(xué)教材中實驗室制氯氣實驗的研究[J].實驗教學(xué)與儀器，2018，35（9）：74-76.

[11]胡偉明，文劍，梁永鋒.實驗室用高錳酸鉀制取氯氣最佳條件的探索[J].教育與裝備研究，2022， 38（7）：54-56.

[12]王汝坦， 程禎臣. 勿用鹽酸與氯酸鉀反應(yīng)制取氯氣[J].化學(xué)教育，1993（1）：44.

[13]河北師范大學(xué)，遼寧師范大學(xué)，福建師范大學(xué)，山東師范大學(xué)，吉林師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)（第二版下冊）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[14]楊德紅，王坤，楊本勇，等.綠色消毒劑二氧化氯的應(yīng)用[J].化工管理，2022（16）：80-82+122.

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