關注氯離子效應在中學化學實驗中的應用

王程杰

摘要：中學化學實驗中的吸氧腐蝕要加入氯化鈉才能有效演示；用鋅粒制氫的實驗在同等條件下選用鹽酸的反應速度顯著高于硫酸；濃硝酸中加入氯離子后在常溫下就能溶解黃金；教材上美麗的“銅樹”實驗的成功關鍵離不開食鹽的相助；清洗焰色反應中的鉑絲要選用鹽酸；灼燒銅絲時蘸上一點鹽酸會產生穩定的綠色火焰；選用氯化鈉或氯化汞等試劑可助鋁片快速和水反應并助發吸氧腐蝕反應（如快速長出白毛）；添加氯離子可助鋁片快速和硫酸銅反應并獲得明顯紅色的銅等等。關注氯離子效應能有效提升初、高中許多教學實驗的演示效果，并找出實驗成功的關鍵。

關鍵詞：氯離子效應；吸氧腐蝕；析氫腐蝕；鋁長毛實驗；配位體

文章編號：1005-6629（2015）11-0053-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

我們把在一些化學反應中氯離子對金屬相所起的某些作用稱為氯離子效應。在中學化學實驗中涉及到氯離子效應的實驗大致可分為三類，—為金屬相表面發生的置換反應；二為金屬相表面發生的吸氧腐蝕；三為能形成以金屬離子（或原子）為中心、氯離子為配離子的配合物的相關反應。

從金屬與酸或水發生的某些置換反應及與鐵等金屬發生的吸氧腐蝕實驗來看，氯離子可起到催化劑的作用，故有人提出了研究氯離子催化作用的課題。然而教材上生成藍色[CoCl₄]^2-的實驗（現行蘇教版教材《實驗化學》P55）及黃金可溶于王水之說中的氯離子所起的作用則是其配體作用，不宜再稱催化作用了，故還是以“氯離子效應”的提法較妥。

1 金屬相表面發生置換反應時的氯離子效應

早有人注意到，與相同pH的稀硫酸相比，用鹽酸與鋅、鋁、鐵等金屬反應時會產生更多氫氣泡（反應明顯快）。但其中氯離子所起的作用到底有多大？卻不甚了解，更談不上在實驗中具體應用。例如初中有個用稀硫酸與鋅反應制備氫氣的實驗，該實驗常會出現反應速度較慢的情況，為此曾有不少文章介紹了添加硫酸銅的方法和改用含雜質較多的粗鋅替代法。這兩種方法其實都是為了使鋅表面形成腐蝕電池，能讓Zn表面的Zn²⁺迅速轉移，使鋅能繼續與H⁺反應。因為該方法涉及的原理在高中化學知識范疇內，中學生也都知道，所以此法成了家喻戶曉的良方妙計。但實驗時采用此“妙計”卻增速效果平平，且有副作用，如額外消耗了銅鹽，加硫酸銅的量與制氣速度提升不成正比，加了硫酸銅后鋅粒表面會變暗、變黑失去鋅的外表形象等等。如將稀硫酸改為稀鹽酸，在氫離子濃度相近的情況下，后者反應速度會顯著提Y+o為驗證其顯著的變化，筆者曾多次演示過如下趣味實驗。

實驗1 鋁片與稀鹽酸反應的奇特現象

取一支中號試管，加入少量鋁片（約1克，為過量），再加約5mL 1：1稀鹽酸。反應馬上開始且產氣多而快（開始時狀態穩定），片刻后試管內有黑色物質生長，產氣更快，伴有沖料現象，再過片刻可看到明顯的熱效應現象，有燙的水蒸氣沖出試管口形成白霧，試管內黑色物質增多，黑色物質有部分被氣體沖出試管口呈黑乎乎的糊沫狀，從加酸時計時不足2分鐘整個反應就突然停止了（見圖1）。

說該實驗為趣味實驗是因為其有不少意外的現象發生，其一是反應太快、太過激烈，竟有水蒸氣噴出，其二出現了不少黑乎乎的沫，這為何物？這個實驗本身就可開設一節實驗探究活動課，針對黑色產物是何物可引導學生給出各種假設，再逐一設計方案進行驗證。這黑色物質當然是單質鋁！驗證方法是：將黑色糊沫狀物質洗滌、過濾、晾干，再加過量酸可得到氫氣和澄清溶液。實驗1中如用稀硫酸替代鹽酸做實驗，則無法見到實驗中的冒熱氣、沖料、有黑色糊沫狀物質生成等“異常”現象，反應速度要慢得多，就算加些硫酸銅也沒此效果。從實驗1我們看到了氯離子效應的神奇作用。有多篇文章提到：氯離子具有較強的穿透金屬晶體的表層膜或裂縫的能力。有人會問上述實驗中鹽酸濃度一定要1：1（濃鹽酸體積：水體積）嗎？其實該趣味實驗是很容易做成功的，筆者就該問題做過實證研究。發現通常在25℃條件下與過量鋁片反應，從最濃鹽酸至體積比濃度降到1：10，甚至1：15，都可以觀察到反應放熱和產生黑色或灰色細沫的現象，鹽酸濃度高（如1：1）反應現象特別快而明顯，濃度低則現象出現慢些、弱些，但仍和稀硫酸反應的現象及產氣速度明顯不同。

關于氯離子效應對制氫反應的影響還可通過以下對照實驗給予驗證。

實驗2鎂帶與水反應的對照實驗

取三小段鎂帶，用砂紙擦去表面的氧化膜，分別放人甲、乙、丙三支試管中。向三支試管中各加入3mL水（水溫約25℃），并往水中分別滴入2滴無色酚酞試液，同時迅速在乙試管中加入少量（黃豆大小一撮）氯化鈉固體，丙試管中加入相同量的硝酸鈉固體。分別與甲管對比，片刻后就發現乙管中鎂帶表面不斷產生較多氣泡，很快溶液就變紅色，其反應速率最快。丙管也有氣泡產生，但反應速率明顯不及乙管，但比甲管反應快些。甲管中反應不明顯，溶液較長時間不變紅色。

以上對照實驗的結果表明，氯離子能夠明顯加快鎂與水反應的速率，且反應的速率在反應過程中會不斷加大。氯離子效應對金屬相的其他置換反應如鋁與硫酸銅溶液反應也有類似效果，這可通過以下的改進實驗加以驗證。

實驗3 鋁與硫酸銅反應的實驗研究

大多現行版本的中學化學教材上有鋁與硫酸銅反應的實驗，該實驗看似簡單卻難做成功，比如反應速度很慢、銅析出的現象很不明顯等等，故該實驗的研究者不少。曾有陳磊磊、蔡晶撰文“鋁與硫酸銅反應異常實驗探究”對該實驗進行了研究，文中提到了一個關鍵因素：“在實驗中加入少許氯化鈉溶液，反應會變快，且生成的就是紅色的銅。”另外還提到了一些成功因素：“要用飽和的硫酸銅溶液，要選用純鋁片而不宜用鋁合金”等等。其實這后兩條因素已經不重要了，甚至會受到質疑。如在該文發表11個月后有嚴柏秋、王彥華等撰文“鋁與硫酸銅反應實驗的再探究”就提出了質疑，作者在文中指出其選用的鋁片就是鋁合金罐，取材方便且節約（廢物利用），文章寫道：“選用了鋁合金罐來做該實驗，剛開始實驗效果也不盡如人意。分析原因，可能是去除的氧化膜在未置換銅之前又生成了。于是我用6.0 mol-L^-1鹽酸來去除氧化膜，然后不水洗直接放人0.5 mol-L^-1CuSO₄溶液中（因為Cl^-對鋁的氧化膜有直接的破壞作用），只見有微量氣泡冒出，很快就有紅色的銅生成。證實了先前的猜測是正確的。”兩文都用到了與該實驗反應式無關的氯離子，而且兩文的實驗效果都提升了。

提到鋁與硫酸銅反應，人民教育出版社（2007年版）普通高中課程標準實驗教科書《化學1》（必修）第46頁圖3-2“有關金屬化學性質”的一些實驗圖片中，第一幅就為鋁與硫酸銅溶液反應得“銅樹”的效果圖（見圖2），“銅樹”美麗、漂亮，溶液界面清晰，實驗有趣且看似很簡單。許多師生想來個仿制，但一動手嘗試，初試者通常都以失敗告終。有李耀軍、金東升等老師對該實驗進行了深入細致的探究，撰寫了“鋁與硫酸銅溶液反應的適宜條件”一文，提出“銅樹”實驗成功之關鍵是氯離子的鼎力相助。該實驗方法及步驟為：“（1）在大試管中加入約2/3體積（12mL）的飽和硫酸銅溶液，控制溶液溫度30～40℃（可用水浴鍋加熱），再加入約2g食鹽，振蕩使之完全溶解并混合均勻。（2）用砂紙打磨好鋁制導線或鋁條（直徑2.5mm的鋁制導線或0.5mm厚的鋁條），并彎成螺旋狀。然后把螺旋狀鋁制導線或鋁條伸入到鹽酸溶液中，待看到鋁制導線或鋁條上有氣泡冒出時，取出并立即插到事先準備好的加有食鹽的飽和硫酸銅溶液中。該實驗可在十分鐘內形成銅樹，溶液界面清晰，幾乎達到與課本圖片相同的效果。”（見圖3）

既然氯離子有如此奇妙的作用，那么干脆把教材上的“鋁與硫酸銅溶液反應”實驗中的硫酸銅改為氯化銅不就行了？實驗證明不妥！比如選用1.5 mol·L^-1氯化銅溶液與鋁片室溫下反應，反應后溶液呈茶褐色，溶液下方有紅色（摻有白色）的沉淀生成，期間有大量氣體生成（是氫氣），且產氣由慢變快，還放出大量的熱，這一些現象與教材上的預計現象都對不上號。如果氯化銅溶液再稀點或濃點，奇異現象還會增多（有時溶液變成綠色，有時產生白色細沫、灰色渾濁等等），故曾有某大學教師對氯化銅溶液與鋁片反應產生的種種“異常”現象進行過探究。

這方面的案例可謂舉不勝舉，如以下趣味實驗。

實驗4 鋁與水反應制備、驗證產物氫氣的趣味實驗

早在多年前，就有荊入德老師發表了“鋁與水反應實驗的設計”一文，此文設計方案有可行性，可供參考。筆者也曾利用類似方法即巧用食鹽做成了鋁與水反應產生氫氣的實驗。當時的具體方法是：①取一寬1cm、長10cm、厚約1mm的鋁片，用砂紙打磨表面后繞成螺旋狀，放入體積比1：5鹽酸溶液中，會有氣泡產生，約1min后取出用蒸餾水沖洗（要沖洗干凈）。②將除去氧化膜后的鋁片，放入近飽和的Hg（NO₃）₂溶液中約1～2min，鋁片表面會呈淺灰色，取出再用蒸餾水沖洗干凈。③將表面汞齊化的鋁片迅速放入J型管的短管中，在短管端口處插上涂有凡士林的活塞，將活塞置于開啟狀態，由長管口處加入近飽和的NaCl溶液，排盡活塞處的空氣，關閉活塞。一開始有細小的無色氣泡生成，大約3min后產氣速度加快（因為溶液溫度在上升，加上溶液中的氯離子效應，使反應速度加快），此時有大量的氣泡逸出，長管中的液面上升，短管中液面下降；同時，有灰白色絮狀沉淀生成向上浮動。④產生的無色氣體約8mL時（約需要10min左右），打開活塞，點燃（見圖4），可見氣體燃燒（是氫氣燃燒）。⑤可繼續做鋁片上長白毛的實驗：將上述反應過的鋁片取出，用濾紙輕輕地吸除表面溶液，置于桌面上，過一會兒，可見鋁片表面長出胡須狀的“白毛”（見圖5）。此時，觸摸鋁片，會感覺到鋁片發熱。上述鋁與水反應的相關反應式為：

再回頭看上述實驗4，可發現其有幾處明顯的缺點：一是每次實驗要耗幾十毫升的飽和硝酸汞溶液，既浪費試劑又極不環保（汞為重金屬元素，硝酸汞、氯化汞均為劇毒試劑）；二是鋁片的前期操作如打磨、酸洗（或堿洗）過于繁瑣，需改進。之所以詳盡介紹老方法是想通過新、老實驗對照給出又一個神奇的氯離子效應的個案（新法詳見下面介紹）。上述⑤的長白毛實驗其實已經轉變成吸氧腐蝕了。

2 金屬相表面發生的吸氧腐蝕時的氯離子效應

上海科技出版社出版的現行高中化學教材（主編姚子鵬）高二上冊第15～16頁上既提到了“鋁和熱水能反應生成氫氧化鋁和氫氣”，還安排有一個鋁的氧化實驗，即利用硝酸汞破壞掉鋁片表面的氧化膜并形成鋁汞齊，再將其置于干燥的濾紙上（即置于空氣中），這就是著名的“鋁片長白毛”的趣味實驗。該實驗中發生反應的機理、產生的白毛是氧化鋁還是氫氧化鋁等等問題可參閱拙文“鋁片長毛實驗中幾個問題的解惑”，下面僅討論氯離子對該實驗的影響。教材上做該實驗選用了硝酸汞，上述實驗4中用的汞鹽也是硝酸汞。近日由葉永謙、張賢金等老師發表的“鋁與水反應演示實驗裝置的設計”一文中，選擇的汞鹽卻是氯化汞（5%）。葉永謙老師特將實驗的錄像發給了筆者，看了錄像后發現選用氯化汞來處理鋁片時其實驗現象和用飽和硝酸汞溶液有明顯的不同。筆者特取一條新鋁片（寬1cm、長10cm，彎曲）不作打磨、不作酸洗、直接放入大試管，注入1/4試管的5%的氯化汞（室溫），發現幾秒鐘后鋁片表面已經產生很多極細的氣泡，且產氣反應不斷變快，約20秒時大量氣泡已經把溶液面向上沖高不少（見圖6）。這是氯離子助金屬相表面發生置換反應的又一個案。那么用氯化汞處理后的鋁片，其表面發生的吸氧腐蝕又會如何呢？下面是給出鋁長毛實驗的新方案。

實驗5 鋁片長毛實驗的創新改進

①取一塊新鋁片（約2×3cm）平放在桌面的玻璃板上。②用滴管取5%～7%的氯化汞溶液（室溫）滴加約4滴在鋁片上，用玻棒橫向涂平溶液，盡量使氯化汞溶液均勻抹在鋁片上。③等待幾分鐘至幾十分鐘，觀察現象（一組實驗現象見圖7，實驗耗時及最后效果與室溫、空氣濕度、鋁片純度等因素有關）。該改進實驗的優點：①節省步驟、操作特簡單（鋁片不打磨，也不經酸洗、堿洗）。②耗汞鹽溶液僅幾滴，節約且環保。③成功率和效果提升（白毛密、長、多）。缺點：長出的白毛不均勻、白毛呈一從一從的（見圖7）。

該改進實驗說明用氯化汞做長白毛實驗時，其氯離子對鋁的吸氧反應也有明顯的促進作用。此法（用少量氯化汞溶液做出鋁汞齊的方法）用于鋁和水反應制氫的實驗準備上也同樣可行。

人們很早就關注到海水、食鹽水會引起鋼鐵等金屬的銹蝕，我國各版本中學化學教材都提到了鋼鐵的吸氧腐蝕，有些教材（如蘇教版、滬教版等）還安排了實驗。如何使吸氧腐蝕速度快且現象明顯？下面介紹兩個方案，其共同特點是都充分利用了氯離子效應。

實驗6 鐵釘快速生銹法

蘇教版等教材上的鐵釘生銹實驗要耗時數天，若用氯離子等可使實驗時間縮短到幾分鐘，且現象特明顯。

實驗操作：①取三支試管，分別倒入10mL蒸餾水。在第—支試管中滴加5滴7%CuSO₄溶液，在第二支試管中滴加5滴7%CuCl₂溶液，在第三支試管中滴加5滴飽和NaCl溶液（滴加少量銅鹽后并沒有產生明顯藍色，故不會對觀察造成干擾）。②在三支試管中分別裝入用砂紙打亮的大鐵釘，記時，觀察。

實驗現象：第一支試管中鐵釘在五、六分鐘內表面有灰黑色物質生成；第二支試管的鐵釘在五、六分鐘左右表面就有紅褐色鐵銹生成，幾分鐘內溶液呈現淺黃色；第三支試管中的鐵釘在一個小時內表面無明顯變化，鐵釘表面出現微小的“黃斑”（只有近距離觀察才能看到），5分鐘后3支試管中的現象見圖8。約一刻鐘后第二支試管中生銹現象非常明顯（如圖9所示）。由實驗現象可知：第二支試管中銅離子和氯離子的雙重作用疊加會使吸氧腐蝕速度大大加快，現象特別明顯（銅離子起到形成腐蝕電池的作用）。

教材上鐵粉的吸氧腐蝕實驗的設計有一個共同特點，都選用了氯化鈉作為反應催化劑，由于鐵粉的比表面積增大，故該反應通常都較快，且易成功。該實驗的改進方案很多，下面選一個耗試劑甚少，效果同樣好的方法作一介紹。

實驗7鐵粉快速吸氧腐蝕實驗

實驗操作：①分別稱取1.5g鐵粉和0.5g石墨粉，將鐵粉和石墨粉混合均勻備用。取一支大試管和一個插有玻璃管的橡皮塞。②用滴管取2mol·L^-1的氯化鈉溶液沿試管壁緩慢滴入使試管壁濕潤。將鐵粉和石墨粉的混合物均勻地撒在濕潤的試管壁上，這時混合粉末被浸潤且呈糊狀。因為有粘性，所以混合粉末可以被固定在試管內壁上。立刻塞上插有玻璃管的橡皮塞并使整個試管倒立，將玻璃管嘴（約0.5cm）處浸入放有紅墨水的小燒杯中。③隨著反應的進行，試管中的氣壓減小。大約半分鐘后小燒杯中的紅墨水沿玻璃管緩緩上升，當液面上升6cm時將試管從燒杯中取出并倒立固定在鐵架臺上，此時可以觀察到不斷地有氣泡進入導管中（見圖10）。實驗開始階段產生的氣泡比較多，每分鐘約12個，約半小時后反應完全停止，紅墨水開始往下滴。④待反應停止后，從鐵架臺上取下倒立的大試管。拔掉插有玻璃管的橡皮塞，量取10mL的去離子水加到大試管中。用玻璃棒蘸取少量上層清液，用pH試紙可測得該溶液pH約為9，呈堿性。

3 氯離子配體作用對一些實驗的影響

現行蘇教版教材《實驗化學》第55頁有一個趣味實驗：在紅色氯化鈷溶液中滴加鹽酸，溶液變成藍色{紅色[Co（H₂O）₆]²⁺溶液加入氯離子后生成[CoCl₄]^2-為藍色}；眾所周知工業用鹽酸常呈微黃色，該微黃色主要是[FeCl₄]^-配離子的顏色（不是三氯化鐵本身的顏色）。再如膽礬及硫酸銅溶液為藍色，在少量藍色硫酸銅溶液中滴加濃鹽酸，溶液變成綠色、翠綠色，這是因為生成了[CuCl₄]^2-（黃色）之故（黃色加藍色成綠色）；氯化銅及其水溶液呈什么顏色爭議頗多，根源就在于H₂O、Cl^-這兩配體的相對濃度比。

生活中有時焊補金屬的面盆、焊接導線等常要用到焊錫和焊錫膏，焊錫膏中含有氯化銨可除去金屬表面的金屬氧化物等雜質，如身邊沒有焊錫膏，則取鹽酸替代效果也極佳（焊錫匠都知道的）；中學教材上用鉑絲（或鎳鉻合金絲）做焰色反應之前也先要清洗一下，清洗方法同焊錫前的處理相似，也是先蘸一下鹽酸（只能用鹽酸，不可用硫酸、硝酸等），比如鉑絲上有氧化銅或銅離子等雜質，遇鹽酸則生成[CuCl⁴]^2-，再經火焰灼燒一下，該配離子就揮發掉了。可見氯離子成為配離子是中學化學及生活中常見的事。下面介紹一個創新的焰色反應實驗，該實驗既是對上述解釋的一個實驗驗證，又是一個簡易、方便且有趣的焰色反應的新方法。

實驗8銅絲做銅的焰色反應實驗的研究

實驗操作及現象：①取一束干凈的銅絲（可用一束銅質導線替代），點燃酒精燈，將銅絲的一端插入酒精燈火焰中灼燒，觀察到銅絲受熱會變黑（Cu0），加熱時黑色又常常返回紅色，但其間看不到銅的焰色反應現象（見圖11左）。②將銅絲離開燈焰，蘸一下1：1的鹽酸后再置于燈焰上，很快產生穩定的綠色火焰，可維持0.5～1分鐘（見圖11右）。如果是新的（干凈）銅絲，灼燒時不見銅元素進入火焰，將銅絲的一端插入稀鹽酸中，再將蘸濕的一端置于酒精燈火焰中灼燒，則可觀察到有銅元素不斷進入火焰（同理：如果用銅絲蘸一下CuCl，溶液后再置于燈焰上灼燒，也會產生明顯的綠色火焰）。這個實驗的現象很清晰，也頗能解釋上述的氯離子效應。而且該實驗取材方便，不耗銅鹽試劑，節約環保，現象明顯且有趣。

其實中學化學實驗中氯離子效應的應用還有不少個案，本文僅是拋磚引玉，希望能引起大家對氯離子效應的關注和深入探討，促使我們共同來發掘化學實驗的更多奧秘。