氯氣制取及性質探究實驗的改進研究

冼婷 黃先蘭

摘要：氯氣的制取和性質實驗在高中化學課堂中難以開展原因是其安全性問題，設計簡單、防泄漏的實驗裝置是解決問題的必要措施。作者就氯氣制取原理的選擇和幾組氯氣性質實驗裝置設計兩大方面提出自己的改進想法和成果。

關鍵詞：氯氣;安全;制取;性質實驗

文章編號：1008-0546（2020）10-0093-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.025

氯氣的性質及應用是元素化合物知識的重點和難點，其相關的實驗內容也非常豐富。但由于氯氣的毒性使得很多教師不敢在無通風櫥的教室中進行學生分組實驗，甚至演示實驗也望而卻步。故很多一線教師為了更安全、便捷地進行氯氣的實驗教學，對氯氣相關實驗進行改進，已有不少研究成果。筆者也對這一實驗內容提出自己的改進方案。

一、氯氣制取原理

教材中所介紹的實驗室制取氯氣原理為：

MnO2+4HCl（濃）=MnCl2+Cl↑ +2H2O

很多研究者為了減少加熱這一繁瑣操作，選擇的制取原理可能有下面幾種： 原理（1）使用高錳酸鉀反應速率很快，但放熱量大，筆者實驗時能聽到響聲，反應完后玻璃容器上會沾有黑色殘留物難清洗。原理（2）由于+5價與-1價間氯元素價態較多，可能生成同樣是黃綠色的易爆炸氣體ClO2[6]從而使實驗不夠嚴謹和安全。原理（3）用84消毒液貼切生活，但其刺激性也比較強，不適合在無通風櫥環境下進行。原理（3）（4）所需鹽酸可用潔廁靈代替可見稀鹽酸也能發生反應，可避免使用濃鹽酸減少刺激性氣味，筆者的嘗試看來不推薦用潔廁靈代替稀鹽酸，因為其中含有表面活性劑會產生較多泡沫，并且也具有一定刺激性氣味。雖然這些原理與教材中原理相比不需要加熱操作，看似更加便捷，但反應物一接觸馬上反應，故難以控制，對密閉操作、防泄漏要求就更高些。所以制取原理各有優點，應根據實驗者的需求和裝置特點選擇。筆者將選擇教材中的制取原理，因其可通過加熱控制反應開始及停止;以及選擇制取原理（4），因為片狀漂粉精更好取用、無顏色干擾，易清洗，而且只需2mol/L鹽酸即可達到較快速率。筆者還將利用簡易的電解裝置，根據原理（5）去制取氯氣，因其原料無刺激性氣味、無腐蝕性較為廉價及安全。

二、氯氣與金屬的反應裝置

氯氣與金屬反應實驗主要涉及銅、鐵、鈉三種金屬和氯氣的反應，需要掌握現象及產物價態。借鑒一些方便新穎的密封方式（保鮮膜密封）[7]和加熱方式（熾熱玻璃棒）[8]，結合筆者學校實驗室存有的實驗儀器，筆者設計了兩款適用于氯氣與金屬的反應裝置，均可達到良好的實驗效果。

裝置一如圖1，使用Y形試管，一支管加熱制取氯氣，在試管中充滿黃綠色氣體后，加熱另一支管中的銅粉或鐵粉引發氯氣與金屬的反應。實驗裝置簡單，操作便捷，通過加熱控制氯氣的生成開始和停止，防泄漏問題就可控。產生的煙顏色觀察清晰，濕潤的濾紙沾有產生的煙后呈現銅離子和鐵離子的藍色和黃色，產物的檢驗也方便、一體化。

裝置二如圖2，圖3，利用兩顆漂粉精和lOmL2mol/L鹽酸制取氯氣，使用截底塑料瓶將制取氯氣的裝置扣在盛有氫氧化鈉溶液的大表面皿中。用保鮮膜包住瓶口，起到初期制取氯氣時的防泄漏作用。玻璃瓶內充滿黃綠色氣體后，將熾熱的金屬絲插入瓶中開始反應，金屬絲上方可穿上濕潤的濾紙以吸收產物和檢驗產物。還可如圖3將熾熱的玻璃棒插入接觸到鈉塊引發鈉與氯氣的反應。

兩套裝置實驗結束后用針筒往剩余鹽酸里注射碳酸鈉溶液，產生二氧化碳氣體把殘留在裝置中的氣體和煙排盡，方便后續的清理工作。兩套裝置對比，裝置一實驗裝置均是實驗室中可獲得的，搭建也簡單。裝置二相對于裝置一可以省去加熱和鐵架臺這些固定裝置，需要將實驗裝置搬去教室或錄播室使用時會更便捷。

三、氯氣與氫氣反應實驗裝置

1.點燃條件

氯氣與氫氣的反應，需掌握點燃和光照條件下的現象特點。筆者的實驗探索中發現，氫氣在氯氣中點燃實驗這個裝置的改進難點是，氫氣制取微型化后產生氫氣量少，火焰觀察不明顯;為了避免氯氣泄漏需要密閉空間，一開始氯氣還未大量產生易造成火焰熄滅;如若火焰熄滅，氫氣和氯氣不斷產生混合，易發生爆鳴。故氫氣在氯氣中的點燃實驗，筆者還是比較贊成實驗視頻的演示。

針對上述難點，筆者設計了一套實驗裝置，如圖4。用試劑瓶裝足量的稀硫酸，用小塊蚊帳布包裹足量的鋅粒綁在銅絲上，銅絲可與鋅粒形成原電池加快反應速率。這一制取氫氣裝置因為反應物量足故可觀察到明顯火焰，實驗結束后將銅絲上提即可停止氫氣的產生，剩余的硫酸和鋅粒在下一個班的演示實驗時還可繼續使用。制取氯氣的裝置在外部，利用Y形試管傾斜控制鹽酸與漂粉精反應的量。提前先制取氯氣充滿Y形試管，避免反應初氯氣不足問題。氯氣通過玻璃導管直接通在氫氣燃燒的火焰上，反應迅速。一旦火焰熄滅或想結束反應就可通過關閉止水夾來停止氯氣的通人，避免氫氣和氯氣一直混合可能產生爆鳴的安全問題，也使得反應結束后裝置內殘留的氯氣極少，方便后續的清理工作。

2.光照條件

氯氣與氫氣在光照條件下反應的實驗相對而言就比較簡單，筆者查閱文獻發現周益年老師[9]的電解法制取氫氣與氯氣混合氣體的裝置尤為經典，如圖5裝置簡單易搭建。而林婕老師[10]們用充電寶作為電解實驗的電源裝置解決了實驗室學生電源裝置的笨重和教室或錄播室電插頭不方便的問題。筆者站在巨人的肩上也嘗試了用電解法制取氫氣與氯氣混合氣體并進行光照條件下的反應，實驗效果令人滿意。

如圖6，筆者網上購買了無膠塞注射器，沒有膠塞鉆洞更方便。購買的2.Omm自動鉛筆筆芯作為電極插入鉆好的注射器推頭上的兩個小口。將數據線剪掉USB接口，將紅色和黑色線中的銅芯纏繞在兩鉛筆芯上，用電工膠布固定。往注射器內注入飽和食鹽水，及少量鹽酸，防止產生的氫氧化鈉吸收氯氣。注射器口接上一小段吊針輸液管，導管末端放人肥皂液中。接通移動電源后，兩電極開始產生氣泡，肥皂液中產生足夠泡泡時停止通電，用手機的相機閃光燈照射，聽到爆鳴聲。

四、氯氣與水或堿溶液的反應

筆者為了利用電解法制取沒有混合氫氣的氯氣，故選擇將飽和食鹽水換成氯化銅溶液，裝置仍同圖6，只是用輸液管將電解裝置的注射器口連接另一注射器，用于收集氯氣。收集到5mL的氯氣需要5分鐘左右時間，在注射器中收集到氯氣，可以便捷地用于探究氯氣與水或堿溶液的反應。

相同的裝置，但不需要用電解法制取氯氣，如圖7。我們將一支注射器中加入鹽酸，另一支注射器中加入漂粉精，將鹽酸完全注入漂粉精的注射器中后反應開始，原注有鹽酸的注射器又充當收集氯氣的作用。為了避免殘留鹽酸干擾氯水中氯離子和氫離子的檢驗，也可用止水夾夾住輸液管后，重新換上另一支注射器。若想驗證干燥氯氣無漂白性，可換上放入無水CaCl2棉花團以及干燥的的有色布條的注射器。

五、氯氣的綜合實驗

對于復習課而言，學生已經在學習新課時做過分組實驗或看過演示實驗及視頻，所以沒有必要把以上幾個實驗再單獨演示一遍，往往只需要在已有的知識基礎上進行氯氣氧化性和氯水漂白性的驗證實驗。也有很多研究者提出了這類氯氣性質實驗裝置的改進，主要為點滴板和試管類型。點滴板類型，將幾種驗證氯氣性質的試劑滴加少量在點滴板的孔穴中，利用注射器往各試劑中加入氯氣，這種類型試劑用量少，一個一個反應進行，現象觀察更清晰。試管類型的使用大試管、U形管等，模式均是待反應的物質浸潤濾紙片按從上到下順序一起放在試管里，試管里滴加鹽酸接觸高錳酸鉀或其他氧化劑產生氯氣，氯氣從下往上接觸濾紙片發生相應反應，這種類型無氯氣泄漏。

筆者設計了如圖8的裝置進行這一實驗。捏扁的礦泉水瓶底加入漂粉精，上部的瓶內壁用雙面膠貼上濕潤的淀粉碘化鉀試紙、滴有NaBr的試紙、濕潤的pH試紙、濕潤紅色紙條、干燥紅色紙條等用于檢驗氯氣性質，如擔心觀察時紙條過多造成混亂，可在紙條上寫上試劑作區分。用吸管加入鹽酸后迅速蓋上蓋子，觀察現象。實驗結束后，用注射器從瓶蓋扎入，注入氫氧化溶液，在不拔掉注射器的狀態下充分振蕩礦泉水瓶，使殘留氯氣充分被吸收。最后得到的溶液含有次氯酸鈉等漂白成分，我們可帶領學生拿著這些礦泉水瓶到校園里比較臟的角落如廁所，進行清洗。三亞的校園，可能會有一些建筑工人喜歡嚼檳榔而且還亂吐檳榔水，造成某些地面殘留紅色檳榔汁漬，我們帶著學生用實驗最后獲取的漂白液去進行清洗，可以讓學生學會充分利用實驗廢料，并且提高環境保護意識。

六、結語

以上筆者設計的實驗裝置在筆者的教學環境下是可行有效的，但可能其他教學環境下的同行們會覺得某些裝置并不是很合適或有更好的選擇，例如有的實驗室可能沒有Y形管，或有的實驗室有內外雙套的尖嘴導管用于氯氣與氫氣的燃燒實驗更方便。美國社會學家、心理學家赫伯特·西蒙提出的“有限理性說”認為，人做決策時，不可能尋求到“最優”的結果，只能尋求“相對滿意”的結果[11]。所以不同教學環境中的教師，尋求到的是環境下所能實現的相對滿意的實驗改進裝置，我們無法追求完美無瑕。僅就氯氣相關實驗研究提出拙見，與同行們共勉。

參考文獻

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