基于氯氣制備、性質的綠色微型實驗設計

王玉潔

摘要：氯氣制備、性質實驗是高中階段化學教學中的非常重要的實驗，但由于Cl2有一定毒性，在制備過程稍有不慎極易造成泄露，危害教師、學生的身心健康.所以目前很多老師采用實驗視頻取代課堂實驗，學生自主實驗更難實現.采用密封、微型的原則將產生的氯氣封閉在密閉容器中，便于性質檢驗和減少污染，不僅集氯氣制備與性質實驗與一體，而且達到了綠色化學的實驗要求.

關鍵詞：綠色設計;氯氣制備;性質;微型實驗;高中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）03-0119-03

1 創意來源

綠色化學是指從源頭上防止污染產生或把化學過程對環境的污染降低到最小程度的化學.開發綠色實驗，實現反應原料和過程的綠色化，防止或減少實驗過程中產生的尾氣、廢物等對環境的污染，在保證實驗效果的前提下盡量減少試劑的用量，采用小型化、微型化的實驗，妥善處理實驗產生的廢氣和廢物以防止污染環境等，是很多中學化學實驗需要考慮和改進的問題.氯作為非金屬元素的典型代表，氯氣的制備和性質內容的學習，對學生其他元素化合物的興趣、方法有重要的影響.2017版的化學課程標準上要求結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解氯及其重要化合物的主要化學性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響.氯氣的制備和氯水的性質比較復雜，教材上相關的實驗比較少.

（1）蘇教版《化學必修2》第40頁有如圖1所示的電解飽和食鹽水實驗.該裝置能有效收集氣體，檢驗氣體時容易操作等優點.但是未能有效解決下列問題：

①裝置笨重，需要學生電源.

②電解速度慢，陰極產生H2量少，進行點燃或爆鳴實驗比較困難;驗證氯氣時，容易污染環境.

③因為實驗室電源量少，且氯氣有污染，會泄露，作為分組實驗特別困難.

④產生的氯氣大量溶于水，且和陰極產生的氫氧根離子發生反應，導致生成次氯酸鈉，使氯氣的收集很困難，難以和生產實際中氯堿工業聯系起來.

基于以上分析，電解飽和食鹽水的改進思路為：

①陰極和陽極盡可能靠近，以縮短離子遷移的距離，提高電解的速率.

②將產生的氯氣和氫氣封閉在1 min水電解器中，便于收集、性質檢驗和減少污染.

（2）氯氣性質實驗是高中階段化學教學中的重要實驗，一是由于Cl2有一定毒性，在制備過程稍有不慎極易造成泄露;二是蘇教版高中《化學必修1》（2019年6月版）教材中探究氯氣分別與干燥的和濕潤的有色紙條反應的實驗（如圖2所示），使用的是2個集氣瓶，沒有給出裝置圖，但可以看出藥品用量大，氯氣有毒，反應后的裝置中還存有大量剩余氯氣，在處理瓶內剩余氣體的過程中，會造成泄露，所以對這些內容的學習，目前很多教師用實驗視頻取代課堂實驗，或課堂上僅演示一個性質實驗，學生自主更難實現.《普通高中化學課程標準（2017版）》強調化學實驗的獨特價值，盡可能多地為學生提供動手做實驗的機會，鼓勵教師設計綠色化學實驗，開展微型實驗，并且可采取替代品進行實驗.

針對存在的問題，本實驗從綠色化和微型化的角度出發，改進思路為：選用一次性塑料杯子和塑料瓶蓋等材料設計實驗，選用生活中常見的84消毒液和潔廁靈制取氯氣、利用氫氧化鈉溶液液封可以同步完成氯氣的氧化性、氯水酸性和漂白性等一體化實驗，該設計綠色環保、現象明顯、十分適合學生自主實驗，在真實生活情境中感受氯氣的性質.

2 實驗用品

儀器：注射器3支（帶針頭）、220V電源、定制電解器、酒精燈、洗瓶等.

藥品：飽和食鹽水，氫氧化鈉溶液，酚酞溶液，干燥pH試紙、濕潤pH試紙，濕潤淀粉碘化鉀試紙、NaOH溶液+酚酞+濾紙、干燥紅紙，濕潤紅紙，潔廁靈，84消毒液等.

3 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示.

4 實驗原理

（1）電解飽和食鹽水常規采用U型管實驗，消耗液體較多，且產物檢驗不方便，本實驗采用定制電解器、注射器，操作簡單，安全，沒有任何氣體的泄露.

陰極反應：

2H++2e-H2 （還原反應）

陽極反應：

2Cl--2e-Cl2（氧化反應）

總反應為：

2NaCl+2H2O通電2NaOH+Cl2↑+H2↑

（2）氯氣的漂白性、強氧化性實驗，氯水的酸性實驗，通常事先通過高錳酸鉀與濃鹽酸單獨制備、收集氯氣，再進行實驗，不僅消耗藥品多，實驗過于復雜.筆者采用生活中常見的84消毒液與潔廁靈制備氯氣，再進行性質檢驗，不僅增強了趣味性，而且對生活有一定的指導作用.

①氯氣的產生：

ClO-+Cl-+2H+Cl2+H2O

②氯氣能使淀粉碘化鉀試紙變藍：

Cl2 + 2KII2 + 2KCl

淀粉遇碘單質變藍.

③氯氣不能使干燥的紅紙褪色.

④氯氣能使濕潤的紅紙褪色.

Cl2+H2OHCl+HClO

產物中次氯酸具有漂白性，使紅紙褪色.

⑤氯氣能使濕潤的pH試紙先變紅后褪色.

Cl2+H2OHCl+HClO

產物中的酸性物質使pH試紙變紅，產物中次氯酸具有漂白性，使pH試紙褪色.

⑥氯氣的尾氣處理：

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

5 實驗步驟及現象

5.1 電解飽和食鹽水

（1）注入電解液.用注射器取50mL食鹽水，從儲液室頂部的加液口注入，液體的量加入到一半.用2個膠塞帽塞住反應室的2個導氣管.順時針緩緩傾斜裝置，將反應室的空氣趕出，直至水平，2個反應室內充滿溶液，正立裝置，完成排氣步驟，如果加入的溶液不足，還可再補充少量溶液.

（2）接通電源，電解.2個反應室都可以觀察到有氣泡產生，且產生的速度很快，液面下降.

（3）電解產物的檢驗：用連接針頭的注射器扎入塞在導氣管上的橡膠塞，拉動活塞，即可抽出與電源負極相連的電極氣體，氣體抽出后，直接推向酒精燈的火焰，可以點燃;濕潤淀粉碘化鉀試紙放在注射器內部，抽取與電源正極相連的電極氣體，觀察現象;陰、陽極區加入酚酞溶液，觀察現象.

實驗現象及結論：與電源負極相連的電極一端產生的氣體可以燃燒，有淡藍色火焰，為氫氣;與電源負極相連的電極一端產生的氣體可以使淀粉碘化鉀試紙變藍，該氣體為氯氣.與電源負極相連的電極一端的溶液遇酚酞變紅，即生成了堿.

2H2O+2e-H2+2OH-

（4）再繼續電解食鹽水，將電源拔下，插上帶風扇的電機.

實驗現象及結論：風扇轉起來.形成原電池，將化學能轉化為動能，增強趣味性.原理為：

H2+Cl22HCl

5.2 氯氣性質實驗探究

（1）向潔凈的一次性水杯壁分別粘貼濕潤淀粉碘化鉀試紙，濕潤紅色紙條、干燥紅紙條、濕潤pH試紙、干燥pH試紙、NaOH溶液+酚酞+濾紙，再將凡士林涂在水杯杯口，倒扣在表面皿中，表面皿中放一瓶蓋，瓶蓋中放1mL左右潔廁靈.

（2）用針筒吸取1mL的84消毒液，從一次性塑料水杯上部加入表面皿中，觀察現象（見表1）.為了防止有少量氯氣泄漏，在表面皿與一次性水杯之間加入少量氫氧化鈉溶液，進行液封.

（3）實驗結束后用，慢慢提一下水杯使氫氧化鈉溶液進入使其充分反應后洗滌，使氯氣充分被氫氧化鈉溶液吸收，防止其污染環境，對人體產生危害.

6 設計特色

6.1 實驗設計綜合性強

選用生活中常見的84消毒液和潔廁靈制取氯氣可以同步完成氯氣的氧化性、氯水酸性和漂白性等一體化實驗，裝置微型化且密封綠色環保便于學生及老師操作.電解飽和食鹽水密封環保，反應速率快，操作簡單安全，現象明顯.

6.2 巧妙運用注射器

運用注射器抽取氣體進行性質檢驗，氣體較純，氫氣檢驗安全可靠.先將濕潤淀粉碘化鉀放在注射器中，再抽取少量氯氣檢驗，實驗操作簡單.

6.3 實現尾氣零排放

該實驗實現將氯氣制備與性質實驗設置在一個密閉容器內進行，用氫氧化鈉液封，氯氣不會逸散，綠色環保.裝置最后的尾氣，用氫氧化鈉溶液吸收效果好.實現氣體零排放，有益于環保.

6.4 具有趣味性

該實驗設計的藥品和裝置都來自于生活，有一定的趣味性和生活性，通過動手操作學生對物質性質的感知更深刻.

6.5 具有可行性

通過改變不同試劑，該實驗設計增加了在高三課堂上復習氯氣性質時引入課堂實驗的可行性.

參考文獻：

[1]陳達，莊華清.電解飽和食鹽水實驗的新改進化學教學，2012（11）：49-50.

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[3]王祖浩.普通高中課程標準教科書： 化學2南京：江蘇教育出版社，2008：23-24.

[4]郭曉麗，李淑芳，魏銳.一種小型電解水裝置的設計化學教育（中英文），2018，39（01）：66-69.

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