氯氣的制備與性質實驗的一體化新設計

趙 芳 秦勇軍 許 楠 楊春艷

西華師范大學化學化工學院(637000)

1 問題的提出

氯氣作為鹵素的代表,在高中化學中占有重要地位,其制備與性質檢驗實驗也是高中化學重要的實驗之一。教材中氯氣的實驗室制法是二氧化錳與濃鹽酸混合加熱制取氯氣,將氯氣的制備與性質實驗分開進行,容易導致實驗過程藥品消耗大,過程繁瑣,裝置內有氯氣的殘留,在拆卸時容易造成泄露,危害師生健康,因此教師在教學過程中更傾向于通過多媒體的方式演示該實驗,難以達到《普通高中化學課程標準(2017年版)》對該部分內容的要求:“通過實驗探究,了解氯及其重要化合物的主要性質,認識其在生產中的應用和對生態環境的影響”[1]。

2 研究現狀

筆者通過查閱大量資料發現,許多學者對于氯氣的制備及性質檢驗實驗有較多改進,主要集中在裝置的一體化和微型化上。如閻潤鴻[2]雖然實現了氯氣的制取、檢驗和尾氣處理一體化,但是將不同性質的檢驗實驗分開,實驗操作復雜,藥品消耗增加,反應容器中還存在殘留的氯氣,容易在拆除裝置時逸散到空氣中,從而污染環境。 李猛[3]采用Y形試管與長頸漏斗相結合制取氯氣,并對其連續進行漂白性、酸性、氧化性、與金屬反應等性質的檢驗,而金屬鈉化學性質活潑,在制取氯氣和檢驗氯氣性質時,金屬鈉還未與氯氣反應就容易被球形干燥器中的空氣氧化,不夠嚴謹,同時也存在反應裝置中殘留的氯氣在拆除裝置時逸散到空氣中污染環境的問題。郭巧云[4]將反應物二氧化錳換成氯酸鉀,使得制備氯氣的反應速度加快,現象明顯,但是把氯氣與銅的反應放在第一步檢驗,可能會導致學生正在觀察氯氣與銅的反應時,來不及觀察或不能完全觀察到淀粉碘化鉀試紙和濕潤月季花瓣的顏色變化,從而達不到教學目的。王秀艷[5]使用礦泉水瓶組成氯氣的制備和檢驗裝置,材料廉價易得,現象明顯,但對于藥品的消耗較大,沒有尾氣處理裝置,實驗過程中容易造成氯氣泄漏,污染環境。在以上改進實驗的基礎上,筆者利用潔廁靈和84消毒液的反應制取氯氣,將口服液玻璃瓶、礦泉水瓶制作的鐘罩、培養皿、注射器等組合起來設計了操作簡單、現象明顯的改進實驗裝置,并且該實驗裝置能夠有效吸收實驗結束后剩余的氯氣,具有材料廉價易得、藥品用量小,安全性高、富有趣味性的特點。

3 實驗創新

3.1 實驗原理

采用84消毒液(NaClO)和潔廁靈(HCl)反應制備Cl2:NaClO + HCl = NaCl + Cl2↑ + H2O。

3.2 性質檢驗

(1)氧化性:Cl2具有氧化性,可以將I-氧化成I2。

Cl2+ KI = 2KCl + I2

(2)酸性:Cl2溶于水發生可逆反應生成HClO和HCl,紫色石蕊溶液遇酸變紅。

Cl2+ H2O=HCl + HClO

(3)漂白性:干燥的紅色紙條遇到氯氣無明顯變化,而濕潤的紅色紙條遇到氯氣褪色,Cl2與H2O反應生成的HClO具有漂白性。

(4)與堿溶液反應。

Cl2+ 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O

3.3 實驗儀器及用品、試劑

實驗儀器及用品:燒杯、玻璃棒、2支10 mL注射器、培養皿、膠頭滴管、口服液玻璃瓶、礦泉水瓶、濾紙、雙面膠、剪刀、珍珠棉、紅色紙條。

實驗試劑: 潔廁靈、84消毒液、飽和NaOH溶液、淀粉-KI試紙、紫色石蕊溶液、蒸餾水。

3.4 潔廁靈和84消毒液反應實驗

3.4.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

3.4.2 實驗步驟

(1)取1個口服液玻璃瓶將其放在培養皿中央。

(2)將礦泉水瓶剪掉一半保留上半部分,分別將濕潤的淀粉-KI試紙、紫色石蕊溶液濾紙條、干燥的紅色紙條、濕潤的紅色紙條用雙面膠粘在礦泉水瓶內部,將其做成玻璃瓶的鐘罩。

(3)用珍珠棉封住礦泉水瓶的瓶口,將飽和NaOH溶液倒入培養皿中使鐘罩內部形成密閉環境。

(4)分別將裝有潔廁靈和84消毒液的注射器通過瓶口的珍珠棉插入礦泉水瓶并固定,檢查裝置的氣密性。

(5)把注射器中的潔廁靈和84消毒液各注入1 mL到口服液玻璃瓶中,反應立即發生。

(6)反應結束,待剩余的氯氣被吸收完畢,將反應后的溶液倒入指定位置。

3.4.3 實驗現象

(1)反應開始,可以觀察到玻璃瓶內有明顯的氣泡產生以及黃綠色氣體生成。反應片刻可以觀察到濕潤的淀粉-KI試紙變藍,說明氯氣具有氧化性。

(3)紫色石蕊溶液濾紙條變紅,氯氣與水反應生成了鹽酸和次氯酸。

(4)濕潤的紅色紙條褪色,干燥的紅色紙條無明顯變化,反應一段時間后,觀察到變藍的濕潤的淀粉-KI試紙和變紅的紫色石蕊溶液濾紙條顏色褪去,說明反應生成的HClO具有漂白性。

(5)黃綠色氣體顏色變淡,說明培養皿中的飽和NaOH溶液可以吸收反應生產的Cl2。

3.5 實驗說明

(1)實驗制作鐘罩的礦泉水瓶以及作為反應容器的玻璃瓶都需要無色透明,以便更好地觀察實驗現象。

(2)NaOH溶液盡量配置或飽和溶液,使其能夠更好地吸收實驗結束后裝置中剩余的氯氣。

(3)倒入培養皿中的飽和NaOH溶液要高于鐘罩的底部,低于培養皿的邊緣,可以利用液封使鐘罩內形成密閉環境,在實驗中更好地避免了氯氣泄漏污染環境,具有較高的安全性。

4 實驗總結

(1)本實驗最大的創新點在于裝置使用的儀器用品大多來源于生活,廉價易得,藥品用量小,實驗裝置簡單,操作性強,現象明顯,安全性高,富有趣味性;使用注射器可以靈活地控制反應的發生和停止,同時反應的發生、檢驗和尾氣處理都在密閉的環境中進行,綠色環保,符合綠色化學的理念。

(2)該改進實驗裝置不僅有利于教師在課堂上進行演示實驗,學生也可以在教師的指導下進行小組實驗。該實驗不僅可以讓學生學習到關于氯氣的知識,還有利于學生將化學知識和實際生活相聯系,了解到在日常生活中潔廁靈和84消毒液不能混用,培養學生的化學學科核心素養。