“氯氣制備及性質檢驗”微型實驗裝置的改進

費小蓉 盧一卉 李遠蓉

摘 要：鑒于教材中氯氣的制備及其性質實驗存在藥品用量較大、氯氣易泄漏、尾氣難處理等不足，本實驗根據綠色化學和微型實驗的要求，利用無色透明生活廢品作為實驗裝置材料，將氯氣制備與多個性質實驗及尾氣吸收進行一體化創新設計。該實驗具有一體化、微型化、綠色化、可控化等特點，既節約試劑，現象明顯，又可控速率，綠色環保，非常適合課堂演示。

關鍵詞：氯氣制備;性質檢驗;微型實驗

一、 問題提出

氯氣的制備及性質實驗是高中化學課程中重要的實驗之一。在人教版高中教材《化學1》（必修）第84頁中，通過兩個實驗得出干燥的氯氣不具漂白作用而濕潤的氯氣才有漂白作用。對于氯氣的性質檢驗主要存在著幾處不足：第一，只驗證了氯氣的漂白性與是否未干燥有關，對于其他的一些性質未檢驗;第二，對其漂白性的檢驗設置了兩組實驗，藥品浪費大，且操作復雜;第三，實驗時需將有色紙條或布條放入集氣瓶內，操作過程中易造成氯氣泄漏;第四，需事先制備氯水和干燥的氯氣，且氯氣的制備及性質檢驗非一體化，操作煩瑣。如何改進該實驗裝置已成為一個較為突出的問題。

二、 研究現狀

筆者通過對氯氣制備及性質檢驗相關文獻的梳理，發現已有許多研究者對氯氣的制備及性質實驗裝置進行了組合化與微型化設計，但仍存在如下問題：第一，驗證氯氣的漂白性時未干燥氯氣;第二，檢驗氯氣遇水呈酸性時，未排除體系中HCl氣體的干擾;第三，尾氣處理時會產生倒吸;第四，收集氯氣驗滿時，有氣體泄漏。

針對教材和已有研究中該實驗的不足，本研究采用微型儀器對實驗進行改進，并且將氯氣制備與多個性質實驗及尾氣吸收一體化創新設計，整個裝置密閉，操作簡單。

三、 氯氣的制備與性質檢驗微型實驗改進

（一） 實驗原理

1. 氯氣制備

2KMnO4+16HCl2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

2. 性質檢驗

氯氣具有氧化性、遇水顯漂白性、遇水呈酸性的性質。因此選用淀粉碘化鉀溶液檢驗其氧化性，用干燥和濕潤的有色紙條檢驗氯氣的漂白性，用常見的紫色石蕊溶液檢驗其遇水呈酸性的性質。

①漂白性：Cl2+H2OHCl+HClO，HClO具有漂白性，可以使有色紙條褪色。

②氧化性：氯氣具有氧化性，可將具有還原性的物質或離子氧化。可將淀粉碘化鉀試紙中的I-氧化為I2，即發生2I-+Cl2I2+2Cl-，從而使淀粉碘化鉀試紙變藍。

③酸性：氯氣在有水的條件下發生Cl2+H2OHCl+HClO，溶液中電離出H+，可使紫色石蕊試紙變紅。

3. 尾氣吸收

氯氣溶于水呈酸性，可用氫氧化鈉溶液進行尾氣的處理，即發生：

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

（二） 實驗設計及改進思路

1. 實驗試劑及儀器

實驗試劑：高錳酸鉀固體、濃鹽酸（12mol/L）、氫氧化鈉溶液、淀粉KI試紙、紫色石蕊試紙、棉花、有色紙條、無水氯化鈣。

實驗儀器：5mL注射器3支、輸液管1根、15mL玻璃瓶2個、氣球1個。

2. 藥品用量

儀器體積約為42mL，換算成氯氣的氣體體積，需要的氯氣的物質的量大約為1.88×10-3mol，根據反應2KMnO4+16HCl2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O計算得出KMnO4質量約為0.12g，濃鹽酸體積約為0.5mL。由于濃鹽酸具有揮發性，洗氣時氯氣的損耗，因此該實驗藥品的用量為高錳酸鉀0.2g，濃鹽酸1mL。

3. 反應流程設計及改進

（1）本實驗是利用濃鹽酸與KMnO4固體反應制取Cl2，產生的氣體中還含有HCl、水蒸氣等雜質氣體，會影響對其酸性和漂白性的檢驗，所以需將混合氣體依次通過飽和食鹽水和無水氯化鈣除去HCl和水蒸氣。

（2）考慮到微型實驗產生的氯氣量太少，并且氯氣通過飽和食鹽水的時候會消耗一部分，所以除了藥品用量應大于理論值之外，還應在利用飽和食鹽水除去HCl之前檢驗未干燥氯氣的氧化性和漂白性。

（3）由于高濃度的氯氣會使紫色石蕊試紙直接褪色，并不會觀察到先變紅后褪色，所以對于其酸性的檢驗是在利用飽和食鹽水除去HCl之后。

（4）對干燥的氯氣漂白性的檢驗，需將氣體用無水氯化鈣進行干燥。

（5）為保證氯氣完全不泄漏，在裝置末端套上一個氣球。實驗結束后，用注射器往反應裝置中注入NaOH溶液，通過推拉注射器，將體系中殘余的氯氣全部除盡。

反應流程如圖1所示：

改進后的實驗裝置見圖2（固定底座略）。

（三） 實驗步驟

1. 按照裝置圖1組裝實驗裝置，并檢查裝置氣密性。

注意事項：為保證美觀和裝置的固定，中間的兩支注射器可用膠帶固定;為確保氣密性良好，在打孔和連接處涂上熱熔膠。

2. 加入藥品和試劑，將濃鹽酸逐滴加至盛有高錳酸鉀固體的玻璃瓶中。

注意事項：控制藥品用量及鹽酸的滴加速度，若滴加速度過快，氯氣產生過快過多，石蕊迅速褪色，難以觀察到石蕊變紅的現象。

3. 觀察并記錄實驗現象。

4. 實驗結束后，用注射器往反應裝置中注入NaOH溶液，通過推拉注射器，將體系中殘余的氯氣全部除盡。

（四） 實驗現象

反應裝置有黃綠色氣體產生，氣球變大;①號注射器中有色紙條很快褪色，淀粉KI試紙很快變藍;②號注射器中紫色石蕊試紙先變紅后顏色變淺（并未完全褪色），干燥有色紙條無明顯變化。

四、 裝置改進后的優點

（一） 一體化

氯氣的制備和性質檢驗融于一體，有利于學生對氯氣性質的理解和掌握。

（二） 微型化

與教材中的演示實驗相比，很大程度上節約了藥品用量，且實驗現象明顯。

（三） 綠色化

實驗裝置選用生活廢棄品，廢物利用;裝置全封閉，不存在氯氣泄漏的隱患，培養了學生環保理念、綠色化學思想。

（四） 可控化

使用注射器滴加濃鹽酸，操作簡單且可以控制反應速率。也適用于SO2等氣體的制備及性質實驗。

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作者簡介：

費小蓉，盧一卉，李遠蓉，重慶市，西南大學化學化工學院。