氯氣制備及性質實驗的一體化設計

李猛 王世存

摘要：鑒于教材中氯氣性質實驗存在用料多、耗時長、污染大等不足，在文獻梳理的基礎上，結合中學化學教學實際，遵循可操作性原則，對氯氣制備及性質實驗進行了一體化改進設計。該一體化實驗可以通過一次實驗連續完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質的驗證。減少了試劑用量，防止了環境污染，體現了綠色化學思想、培養了學生環保意識，并為其他性質實驗的改進提供了思路。

關鍵詞：氯氣制備；性質實驗；一體化；實驗設計；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）8–0060–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（實驗）》實施建議中指出：“要鼓勵教師和實驗管理人員開發實驗儀器，研究低成本、少污染的化學實驗，同時也鼓勵學生和教師設計富有特色的實驗和實踐活動。[1]”為此對人教版化學1（必修）第四章第二節[實驗4-4]和[實驗4-5] [2]進行實驗改進的優化設計。

教材上的實驗方法存在以下問題：

（1）氯氣制備和性質實驗是分開進行的，存在試劑用量大、儀器多、操作繁等不足。

（2）需要課前制備氯氣并保存在廣口瓶中，實驗操作中氯氣易逸散，污染教室內環境，危害師生身體健康，不利于培養學生的環保意識。

（3）該實驗只驗證了氯水的漂白性，對氯氣的酸性、氧化性、與金屬反應等并未涉及，而這些性質又是氯氣的重要性質，不利于學生形成系統全面的知識。

針對以上問題，查閱了大量文獻，發現已有不少學者對氯氣的性質實驗做了改進研究，取得了較多成果。

如：李海燕的“新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進”[3]，見圖1。這是一個封閉的實驗裝置，能防止氯氣對空氣的污染，能夠完成氯氣制備及漂白性的驗證，是對教材實驗較好的改進。但是該裝置并未對氯氣的氧化性、酸性、與金屬反應等性質作驗證。

羅兵的“氯氣制備及性質實驗裝置的組合化與微型化設計”[4]，見圖2。這個組合化、微型化的實驗裝置，一次實驗就能夠完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質的驗證，同時尾氣處理裝置能防止氯氣對空氣的污染。但是，該裝置不能對氯氣漂白作用的不可逆性進行驗證，且所用材料儀器較多，課堂搭建裝置較復雜。

于永民的“氯氣的制備及其性質實驗的微量化設計”[5]，見圖3、圖4、圖5、圖6。

該裝置利用注射器、球型干燥器巧妙地完成了氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質的驗證。但是，該裝置每次只能完成氯氣一個性質的驗證，實驗耗時長，不利于節約課堂時間，也不能對氯氣漂白作用的不可逆性進行驗證。

通過對文獻的梳理，確保設計的實驗裝置能夠一次完成氯氣的制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質實驗，且能夠對氯氣漂白性的不可逆性進行驗證。采用Y型試管與長頸漏斗結合完成氯氣的制取；采用Y型試管、硬質玻璃管和球型干燥器結合完成氯氣諸多性質的驗證；采用Y型試管A端褪色后，加熱紅色不恢復，驗證氯氣漂白性的不可逆性，為后面學習二氧化硫使品紅溶液褪色的不同反應機理做鋪墊；采用倒置的普通漏斗與燒杯結合組成氯氣的尾氣處理裝置，確保尾氣的吸收，防止空氣污染，體現了綠色化學的思想。

根據以上設計思路，結合中學化學教學實際，設計了氯氣制備及性質實驗一體化的實驗裝置。該裝置的使用能夠連續完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質以及對氯氣漂白作用的不可逆性的驗證。實驗過程中試劑用量少、防止環境污染、現象較明顯，充分體現了綠色化學的理念，突出了化學學科特征，發揮了實驗的教育功能。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

實驗室通常采用濃鹽酸和二氧化錳在加熱的條件下制取氯氣。濃鹽酸在加熱的條件下，容易揮發出HCl氣體，對氯氣性質驗證造成干擾。KClO3與稀鹽酸幾乎不反應或反應很慢，與濃鹽酸反應也不理想且會揮發出HCl氣體。KMnO4反應較快較劇烈，但不易控制反應速率，且試劑有顏色。而漂粉精片[Ca（ClO）2]反應速率較適中，且不需加熱，容易獲得，較低濃度的鹽酸就能與漂粉精片反應，速度適中易于觀察，揮發性雜質較少，適合中學化學做演示實驗或學生實驗。反應方程式為：

Ca（ClO）2+4HCl=CaCl2+2Cl2↑+2H2O

2.2 實驗用品

儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、分液漏斗、Y形試管、酒精燈、硬質玻璃管、球型干燥器、導管、普通漏斗、燒杯、濾紙、膠頭滴管、剪刀、止水夾、鑷子、木塊、石棉絨

藥品：漂粉精片[Ca（ClO）2]、2 mol/L鹽酸、紫色石蕊試液、品紅溶液、淀粉碘化鉀溶液、NaOH溶液

2.3 實驗裝置

實驗裝置見圖7。

2.4 實驗步驟與現象

（1）鐵架臺連接Y形試管，如圖7搭建實驗裝置，檢查裝置氣密性，在A端加入約2mL品紅溶液，在B端加入約2g漂粉精片，在分液漏斗中加入適量的2 mol/L鹽酸。

（2）在硬質玻璃管上取等距的C、D、E三點。對應地用剪刀把濾紙剪成大小相同的三張濾紙片C、D、E，用膠頭滴管滴加石蕊試液于C、D上，其中C烘干備用。滴加淀粉碘化鉀溶液于E上浸濕備用。

（3）用鑷子夾取制備好的濾紙片C、D、E放在對應的硬質玻璃管的C、D、E三點。球型干燥器F處石棉絨上加入約0.1g金屬鈉。連接裝有氫氧化鈉溶液的尾氣處理裝置。

（4）打開止水夾和分液漏斗的上口塞和玻璃活塞，向B端加入適量的2 mol/L鹽酸。待黃綠色氣體充滿整個裝置，觀察到A端品紅溶液褪色，C點濾紙無明顯變化，D點濾紙先變紅后褪色，E點濾紙由白色變藍色，藍色變淺直至褪色，金屬鈉與氯氣很容易反應，可觀察到金屬鈉自動燃燒（可微熱），發出黃色火焰，并產生白色固體。

（5）加熱Y形試管A端，褪色的品紅溶液不能恢復成紅色。

2.5 實驗結論

（1）硬質玻璃管C、D處濾紙顏色的變化和Y形試管A端品紅溶液褪色，證明氯氣本身沒有漂白性，氯水有漂白性；加熱Y形試管A端，褪色的品紅溶液不能恢復成紅色，證明氯水漂白性的不可逆性。

一體化：通常能在6～8分鐘內一次完成氯氣制備及漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質以及對氯氣漂白作用的不可逆性進行驗證。

防污染：采用倒置的普通漏斗能充分吸收尾氣，防止污染環境，保護師生身體健康，培養學生環保意識。

節約性：該設計用試液浸濕的濾紙片與傳統實驗相比，既減少了試液的用量，又減少了氯氣的需要量，從而節約了漂粉精片[Ca（ClO）2]和鹽酸的用量。

靈活性：硬質玻璃管中C、D、E的濾紙可以換成pH試紙、滴有KSCN的新制FeCl2溶液、Na2S溶液、NaBr溶液等。球型干燥器F處可換成銅絲、鐵絲，底部墊上石棉絨，可驗證氯氣的諸多性質。

普適性：該裝置稍加改裝可完成SO2等氣體的制取和諸多性質的驗證。例如把漂粉精片（次氯酸鈣）和鹽酸換成亞硫酸鈉粉末和硫酸，可完成SO2氣體制備及其漂白性、氧化性、酸性、還原性等性質的驗證。

3 實驗說明

（1）分液漏斗下端應緊貼Y形試管B端的試管壁，防止鹽酸滴入品紅溶液中。可在C點前安裝裝有CaCl2球型干燥器，吸收少量的水蒸氣，排除干擾。

（2）待品紅溶液褪色后，再用酒精燈加熱A端，且品紅溶液加入量不要過多，防止褪色現象不明顯。

（3）在與金屬反應時，將金屬切成金屬片或金屬絲，有利于反應的進行，現象較明顯。同時從安全性角度考慮，金屬鈉用量要控制在0.1g以內，且在金屬下面墊上石棉絨。

（4）尾氣處理的NaOH溶液濃度不宜過稀。實驗結束后加熱裝置或在B端加入稍過量的鋅粒，把剩余氯氣排到尾氣處理裝置中，保證剩余的氯氣被吸收，防止污染環境，保護師生身體健康。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2013：41.

[2]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2012：84.

[3]李海燕.新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進[J].化學教育，2009，（10）：68.

[4]羅兵.氯氣制備及性質實驗裝置的組合化與微型化設計[J].化學教學，2012，（5）：50.

[5]于永民.氯氣的制備及其性質實驗的微量化設計[J].化學教學，2013，（5）：40～42.