氯氣制備及性質實驗裝置的組合化與微型化設計

摘要：通過分析現行上科版高一化學教材中關于氯氣制備及系列性質實驗的某些不足，設計出一種快速制備氯氣并考查氯氣性質系列實驗的組合化、微型化裝置，解決了教材實驗中氯氣用量較大、易泄露、操作不簡便、實驗教學耗時較多的問題，改進后的實驗裝置體現出微型、簡便、高效、綠色的科學理念，有利于開展學生實驗。

關鍵詞：氯氣制備與性質實驗；實驗裝置改進；組合化與微型化設計

文章編號： 1005–6629(2012)5–0050–03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

現行上科版高一化學教材[1]中研究氯氣的系列性質實驗時，關于氯氣與濕潤的有色布條、與細銅絲的反應，采用的方法是用集氣瓶收集滿氯氣，然后將紅熱的銅絲、濕潤的有色布條分別伸入集氣瓶中。雖實驗現象明顯，但此種實驗演示方法的最大弊端是：氯氣易泄露、污染空氣、不利于師生的身心健康，還會在一定程度上引起學生對有毒氣體實驗的畏懼和恐慌；關于氯氣與水、與氫氧化鈉溶液的反應則采用的是用注射器吸取適量氯氣，然后分別將氯氣注入到盛有水和氫氧化鈉溶液的注射器中，此種方法操作煩瑣、容易扎破手指；關于與溴化鈉溶液、與碘化鈉溶液、與氯化亞鐵溶液、與硫化鈉溶液的反應、與紫色石蕊的反應，采用的是用氯氣分別直接通入到盛有相應試劑的試管里，該方法操作不簡便、比較耗時且氯氣用量也較多。盡管已有老師[2]就銅與氯氣的反應作了較大的改進，解決了實驗中氯氣泄露的問題；也有老師[3]就氯氣與溴化鈉溶液、碘化鈉溶液的反應做了改進，解決了鹵素單質氧化性強弱比較的探究性問題。然而這些關于氯氣制備及性質系列實驗的改進一般只局限于某一個反應，尚未有人對氯氣制備及性質系列實驗裝置做整體性的組合化與微型化設計，氯氣耗量較大、實驗操作還不夠簡便、氯氣易逸散到空氣中等問題也未完全解決，課堂實驗耗時較長。鑒于此，設計高效、簡潔、環保、易操作且現象明顯的實驗裝置顯然是很有意義的。

2 氯氣制備及性質實驗裝置的組合化與微型化設計

2.1 實驗器材及藥品

實驗器材：25 mL具支試管、10 mL具支試管、2 mL樣品管、10 mL樣品管、5 mL注射器、酒精燈、橡皮塞、長導管、橡皮管、封口膜一小片濕潤的紅色布條、銅片。

實驗藥品：KClO3、濃鹽酸、CCl4、Na2S、NaI、NaBr、FeCl2

配制溶液：濃度均為0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液和FeCl2溶液；紫色石蕊試液；質量分數為0.30的NaOH溶液。

2.2 實驗裝置

組合化、微型化的實驗裝置如圖1所示（夾持儀器略）：

2.2.1 整套裝置采用設計原理

通過用銅絲固定住一系列小樣品管（微型反應容器），穿過橡皮塞懸空于大具支試管內，產生的氯氣相繼與小樣品管里的物質作用，既能減少藥品的使用量、又大大節約實驗時間、還助于學生近距離觀察實驗現象并且操作也簡單安全。整個實驗裝置由三部分構成：制氣部分：①號大具支試管中由KClO3與濃鹽酸反應制備氯氣；系列性質實驗部分：編號②~⑧的小樣品管及⑨號小具支試管，其中②中可比較氯氣與單質硫氧化性大小、③中可比較氯氣與單質碘氧化性大小及加深對萃取原理的理解、④中可比較氯氣與單質溴的氧化性大小及加深對萃取原理的理解、⑤中可比較氯氣與 Fe3+氧化性大小、⑥中可獲得氯氣可以使紫色石蕊先變紅色后褪色的感性認識、⑦中考查氯氣的溶解性、⑧中考查氯氣的漂白性、⑨中考查氯氣與銅的反應；尾氣處理部分：⑩大樣品管中的氫氧化鈉溶液用以吸收多余的氯氣。

2.2.2 裝置搭建步驟

（1）取25 mL具支試管一只，加入0.35 g KClO3（約0.003 mol）固體于底部。

（2）再取2 mL樣品管7只，用具有一定硬度，直徑為0.5 mm的銅絲（說明：市售的銅絲表面有一層保護漆，可保護銅絲在通常情況下不被腐蝕）等距離系牢樣品管，向小樣品管中（②~⑧）依次從下往上添加體積均為1 mL，濃度均為 0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液、FeCl2溶液以及1 mL蒸餾水、1 mL紫色石蕊試液和一小片濕潤的紅色布條，并再向盛裝NaI溶液、NaBr溶液的樣品管中再各加入0.5 mL的CCl4，然后將樣品管依次小心放入具支試管中，塞緊橡皮塞并用封口膜密封，銅絲末端穿過橡皮塞約2 cm。

（3）大具支試管支管處用橡皮管連接一長導管，另取一只10 mL具支試管，內放一片銅片，然后將長導管穿過橡皮塞伸入到距離小具支試管底部約0.5 cm處，塞緊橡皮塞，將具支試管均固定在鐵架上，再用橡皮管在小具支試管支管處連接長導管，長導管一端伸入盛有ω=0.30的NaOH溶液的樣品管里，各接口處用封口膜做密封處理。

3 實驗步驟及現象

3.1 實驗步驟

教師課前先按圖1所示搭建實驗裝置，添加小樣品管中的各試劑以及⑨、⑩中的藥品，并用封口膜對整個裝置做密封處理后固定于鐵架臺上。上課時再將整套裝置小心發給學生。學生按照如下步驟實驗：

（1）點燃酒精燈，對裝有銅片的具支試管加熱1~2分鐘，對銅片進行預熱。

（2）另取5 mL注射器一只，吸取2 mL（約0.021 mol）市售濃鹽酸，迅速沿試管壁注入到大具支試管中，濃鹽酸與氯酸鉀一接觸便立即產生氯氣，并上升充滿樣品管，同時與各小樣品管里的溶液相繼發生反應，然后氯氣經長導管通入小具支試管與已預熱的銅片發生反應，多余的氯氣被NaOH 溶液吸收。

3.2 實驗現象

（1）用注射器沿大具支試管的試管壁注入濃鹽酸后，立即可觀察到有黃綠色氣體產生（氯酸鉀與濃鹽酸發生氧化還原反應產生氯氣、氯化鉀和水）。

（2）接觸并吸收氯氣后，各小樣品管樣品自下而上發生的現象依次為：②中有淡黃色沉淀（氯氣與硫化鈉反應生成氯化鈉和硫單質）；③中開始時上層溶液呈黃色（氯氣與碘化鈉反應生成碘單質和氯化鈉）、下層無色逐漸變化為上層幾乎無色下層為紫色（四氯化碳萃取單質碘的結果）；④中開始上層溶液呈淡黃色（氯氣與溴化鈉反應生成溴單質和氯化鈉）、下層無色逐漸變化為上層無色下層為橙色（四氯化碳萃取單質溴的結果）；⑤中溶液由淺綠色（很淺，需仔細觀察）變黃（氯氣與氯化亞鐵溶液反應生成氯化鐵）；⑥中溶液在數秒內變紅（氯氣與水反應有鹽酸生成），再逐漸變為無色（氯氣與水反應生成的次氯酸起漂白作用）；⑦中溶液呈現淺黃綠色（氯氣部分與水反應，部分溶解于水）；⑧中濕潤的紅色布條褪色（氯氣與水反應生成的次氯酸酸起漂白作用）。

（3）裝銅片的小具支試管⑨中充滿棕黃色的煙（氯氣與預熱過的銅片劇烈地反應生成氯化銅）。

（4）⑩中多余的氯氣被NaOH 溶液吸收（氯氣與氫氧化鈉反應生成氯化鈉、次氯酸鈉和水）。

4 實驗創新之處及優點

4.1 創新之處

實驗裝置采用組合化、微型化的設計原理：通過用銅絲固定住一系列小樣品管（微型反應容器），穿過橡皮塞懸空于大具支試管內，產生的氯氣相繼與小樣品管里的物質作用，能同時完成氯氣性質的系列實驗。

4.2 優點

（1）小樣品管內各實驗現象及小具支試管中的實驗現象依次呈現：因氯氣由下至上擴散，使得氯氣與各小樣品管內試劑接觸的時間存在先后順序，從而使得師生能逐一清晰觀察各小樣品管內實驗現象。

（2）反應時間短：課堂實驗時，學生只需先用酒精燈預熱⑨中的銅片1 min，再用注射器注入濃鹽酸于大具支試管中，再用時不超過1 min，各樣品管發生反應并出現明顯現象，再用時不超過2 min。總計用不超過4 min的時間就可清晰地完成氯氣的制備及系列性質實驗，大大提高課堂實驗效率。小樣品管內各實驗及小具支試管中銅與氯氣的反應重復率均很高，適合個人實驗或小組實驗。

（3）反應裝置設計微型化，試劑用量少。與常規實驗比，氯酸鉀、濃鹽酸及其它小樣品管內的各試劑、約節約四分之三。

（4）裝置設計基本全封閉化，氯氣的制備及性質系列實驗過程中，氯氣幾乎沒有外泄。

參考文獻：

[1]姚子鵬主編.化學（高中一年級第一學期）（試用本）[M].上海：上海科學技術出版社，2011：31~33.

[2]李銅，羅世翠.銅與氯氣燃燒的實驗改進[J].化學教育，2011，（10）：83.

[3]張正飛，柏書梅.鹵素單質間置換反應的創新設計[J].化學教學，2011，（10）：82.

[4]游建軍，王方舟.氯氣性質實驗的創新設計[J].化學教學，2009，（10）：15~16.