氯水光解實驗的改進

　　摘要：傳統氯水光解實驗中存在污染環境、光解速度慢、氧氣驗證困難、受天氣制約等不足。從氯水中次氯酸濃度、實驗裝置及照射光源等角度，對該實驗進行了分析與改進，提出了自己的優化方案。
　　關鍵字：氯水光解實驗；次氯酸；實驗改進
　　文章編號：1005–6629(2012)7–0047–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
　　氯水光解實驗（常見的實驗裝置如圖1所示）是一個典型的傳統化學實驗。筆者分別查閱了3套現行的高中化學教科書，并對與此相關的內容進行對比，具體見表1。為什么3套現行教材會如此默契地舍棄“傳統”，都未將氯水的光解實驗編排進去？實際上，雖然該實驗設計簡單、操作方便，但要在課堂上演示卻存在著一些不可回避的問題，主要有以下幾方面：
　　（1）傳統方法中，盛氯水的燒杯或水槽都是敞口的，氯水中的氯氣容易外逸，不僅會降低氯水的濃度，還很容易污染環境，也不適宜對學生的環保教育。
　　（2）按圖1裝置實驗時，生成的氧氣不方便進行后續檢驗操作。
　　（3）氯水光解反應的速度慢，在課堂上演示氯水光解實驗，雖能觀察到有氣泡產生，但難以收集到足夠量的氧氣加以驗證。
　　（4）該實驗受天氣的影響較大，不太可能每次實驗時教室內都有強烈、直射的陽光，要在課堂教學的45min內完成演示氯水光解和氧氣檢驗的實驗，是不現實的。
　　筆者認為：Cl2與水反應能生成HCl和HClO，這是事實，但Cl2與水的反應速度是很慢的。再者，粗略計算，當1 L水中溶解2 L Cl2達飽和時，Cl2的質量分數約為6.3×10-3，物質的量濃度約為8.9×10-2 mol·L-1。有文獻可查，25 ℃時，Cl2與水反應的平衡常數K=4.2×10-4，算得平衡時c(HClO)僅為3.0×10-2 mol·L-1。可見，即使是在飽和的氯水中次氯酸的濃度也是很小的。
　　不僅如此，我們還需注意的是，由于Cl2的溶解能力較差，溶于水時需要很長時間才能達到飽和狀態，因此飽和的氯水并不容易制得。而我們通常所用的氯水，實際上很多都不可能是飽和的，其中次氯酸的實際濃度比前面提供的平衡濃度還要低很多！
　　1 實驗改進
　　筆者認為，實際上只要解決了氯水中次氯酸的濃度、實驗裝置及照射光源等3個關鍵點，在教室演示實驗時，上述存在的這些問題便可迎刃而解。通過實證研究，我們認為可對實驗如下改進：
　　（1）提高次氯酸的濃度
　　向水中通入過量氯氣后，由于Cl2與水的反應速度很慢，常規制法得到的新制氯水并不適宜立即用于氯水的光解實驗。采用下列兩種處理方法，效果都不錯：
　　①將常規方法制得的新制飽和氯水，先裝于棕色試劑瓶，密封后在暗處放置1周后再用來實驗，能讓氯水中更多的Cl2轉化為HClO提高濃度；
　　②配制氯水時，將氯氣（已用飽和食鹽水洗氣）通入Na2CO3溶液或CaCO3濁液中直至飽和。Cl2+H2O
　　HCl+HClO，2CaCO3+2HC1（稀）=Ca(HCO3)2+CaC12，Na2CO3+HCl（稀）=NaHCO3+NaCl。由于Na2CO3溶液或CaCO3濁液等能與氯氣反應后的產物鹽酸反應成碳酸氫鹽，而不會與另一產物次氯酸反應，促進氯氣與水反應的平衡正向移動，達到提高溶液中次氯酸濃度的目的。此法是實驗室快速制備較高濃度次氯酸行之有效的方法。
　　（2）重新設計實驗裝置
　　對原有實驗裝置進行改進，改進后的新裝置見圖2。需用到的主要儀器有：500 mL廣口瓶、分液漏斗、注射器（20 mL）等。
　　（3）選擇實驗替代光源
　　在我們演示該實驗時，不可能做到教室內每次都有強烈的、直射的日光。而現在很多教室都已配備了投影設備，實驗表明，必要時用投影儀光源替代日光是個很不錯的選擇。由于教學投影儀一般使用超高壓汞燈泡作為光源，其波長范圍十分適合光化反應，且能提供穩定的高強度光。與此同時，投影儀還能將實驗現象及時投影出來，也便于全班同學的觀察。
　　2 實驗操作
　　（1）制備氯水；
　　（2）按圖2組裝實驗裝置。打開止水夾、分液漏斗玻璃塞及旋塞，由分液漏斗向廣口瓶加氯水，直至注滿；
　　（3）關閉止水夾，連上注射器，分液漏斗上口可塞一團滴有NaOH溶液的棉花，可吸收少量揮發的Cl2；
　　（4）將實驗裝置置于日光（或投影儀光源）下持續照射，分液漏斗內氯水液面緩緩上升，約10 min即可在廣口瓶內收集到40～50 mL的無色氣體；
　　（5）氣體的檢驗：打開止水夾，分液漏斗內液面下降，廣口瓶內氣體進入并充滿注射器。關閉止水夾，輕輕拉出推桿。將帶火星的木條迅速插入注射器內，可觀察到木條立即復燃。
　　3 改進方案的優點
　　改進后的實驗方案主要有以下優點：
　　（1）克服了光解時間、天氣等因素對實驗開展的局限，滿足了課堂教學演示的要求；
　　（2）實驗操作簡捷、現象明顯，也便于氯水光解產物O2的檢驗；
　　（3）避免了氯水中氯氣外逸可能引起的環境問題，更符合環保理念。
　　參考文獻：
　　[1]劉懷樂.談談氯水在化學教學中的幾個問題[J].教學儀器與實驗，2008，（5）：32～34.
　　[2]陸燕海，林肅浩.檢驗火柴頭中硫元素的幾套微量化改進方案[J].化學教育，2011，（5）：58～7