氫氣在氯氣中燃燒實驗的巧妙設計

王建芬+齊俊林

摘要：針對現行高中化學教材中氫氣在氯氣中燃燒實驗存在的不足，如有毒的氯氣和生成的氯化氫氣體容易外逸，污染室內空氣；氫氣在氯氣中燃燒時發出的蒼白色火焰，可見度低，學生難以觀察火焰的顏色，實驗效果差等。利用下口瓶、小細口瓶、干燥管、攝像頭、電腦和手機等構建的實驗裝置，很好地解決了以上問題，收到了很好的教學效果。

關鍵詞：氫氣在氯氣中燃燒；實驗改進；實驗設計

文章編號：1005–6629（2016）11–0063–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

現行高中化學教材[1]中的“H2在Cl2中燃燒”實驗（如圖1所示），存在一定的不足，具體表現在以下幾個方面：其一，因瓶口敞開，集氣瓶內有毒的氯氣和生成的氯化氫氣體容易大量外逸。其二，由于氫氣在氯氣中燃燒時發出蒼白色火焰，白燃燒”實驗，解決了教材中原實驗存在的實際問題。

2 研究現狀

針對教材中“H2在Cl2中燃燒”實驗存在的不足，一些教師也曾對該實驗進行了改進研究，但仍天做該實驗可見度低，學生難以觀察火焰的顏色。其三，該實驗制得氯氣（如圖2所示）和氫氣（如圖3所示）時還分別需要一套較為復雜的氣體發生器，無形地增加了教師實驗準備的工作強度。針對以上問題，我們認為有必要對該實驗進行研究和重新設計，研制一個較為合理的“H2在Cl2中然不盡如人意，例如：有的實驗方法[2]雖然解決了污染問題，但難以觀察火焰的顏色（如圖4所示）；有實驗方法[3]不僅火焰難以觀察，而且仍然需要復雜的氫氣和氯氣的制備系統（如圖5所示）。綜合目前化學研究現狀和教材中實驗方法，我們對該實驗開展了進一步的研究工作，作了如下改進設想和設計。

3 設計理念

通過對“H2在Cl2中燃燒”實驗的方法的研究和設計，重點解決以下問題：（1）實驗的污染問題；（2）氫氣在氯氣中燃燒時火焰難以觀察問題；（3）制備氫氣、氯氣的設備復雜問題，從而達到實驗研究之目的。

4 設計方案

在小細口瓶內裝入稀硫酸和鋅粒制得氫氣，待將瓶內空氣排盡后點燃小瓶上的玻璃尖嘴逸出的氫氣，再將其放入容積為5000mL的下口瓶內，使氫氣在瓶內的空氣中安靜地燃燒。然后在下口瓶的下口處制備氯氣，氯氣逐漸向上擴散，將空氣向上排出，當火焰完全被氯氣淹沒時，氫氣又在氯氣中安靜地燃燒，通過暗箱配合攝像頭、大屏幕等觀察火焰顏色的變化。生成的氯化氫氣體和未反應的氯氣被潤濕的堿石灰顆粒吸收掉；利用注射器將氫氧化鈉溶液注射到瓶體內，氫氧化鈉溶液可吸收掉剩余的氯氣和氯化氫氣體。

5 實驗材料

下口瓶（外徑18cm，高33cm，上口內徑5.5cm）1個、細口小玻璃瓶（容積30mL，最大外徑3.7cm，高7cm）1個、單球干燥管1支、玻璃尖嘴1個、塑料瓶1個、無底有蓋紙箱（20cm×20cm×35cm）1個、手機1個、攝像頭1個、筆記本電腦1臺、粗銅絲（40cm）1根、PVC穿線管直角彎頭1個、一次性注射器（20mL）2支、PVC穿線管（直徑2cm，長15cm）1根，14號、4號、2號（單孔）橡膠塞各1個，打孔器1套、圓木銼1把、鐵鉗1把、大號注射針頭1個、火柴1盒、橡膠管、透明膠帶、脫脂棉、絲口密封帶若干；濃鹽酸（37%）、高錳酸鉀晶體、顆粒狀堿石灰、30%氫氧化鈉溶液、鋅粒、40%稀硫酸、冷水。

6 儀器制作

6.1 氯氣發生器的制作

取一個4號橡膠塞，用打孔器、圓木銼在其中央打一個大孔（直徑略小于PVC管的外徑），將該膠塞穿在15cm的PVC管的一端，在PVC管的另一端纏繞上絲口密封帶后裝上PVC穿線管直角彎頭（如圖6所示）；取一個2號橡膠塞，從其大頭端穿入1根大號針頭，在針頭上裝入一次性注射器，然后將橡膠塞塞在PVC管帶膠塞的一端（如圖7所示）。

6.2 小吊瓶的制作

取1根粗銅絲，用鐵鉗將銅絲固定在細口小玻璃瓶的瓶頸上（如圖8所示）。

6.3 無底有蓋紙箱的加工

取1個無底有蓋的廢紙箱，在左側底部的中間打一個半圓的透孔（直徑4cm）；正面（面向人的一側）的偏下的位置裁剪下1個矩形條（5cm×12cm）；在紙箱的上蓋打一個較大的透孔（直徑8cm）；在矩形條下方打一個透孔（直徑3cm），最后，將矩形條紙板上邊用透明膠帶粘在紙箱上（如圖9所示）。

6.4 大膠塞的加工

取一個14號大膠塞，用打孔器在中央打一個透孔，在孔上裝一單球干燥管，從單球干燥管的下端穿入小吊瓶的粗銅絲（如圖10所示）。

7 實驗方法及其現象

7.1 在氯氣發生器內裝入藥品

取氯氣發生器，取下塞在一端且帶有注射器的橡膠塞，用藥匙裝入10g左右的高錳酸鉀晶體于PVC管內，然后將橡膠塞復原塞好；取下注射器，吸入20mL濃鹽酸，然后復原；將氯氣反應器緩慢插入到下口瓶內并塞緊橡膠塞（如圖11所示）。

7.2 氫氣的生成與點燃

在干燥管內加入潤濕的堿石灰顆粒后，在細口小玻璃瓶內加入4g鋅粒和20mL稀硫酸，在瓶口處塞上一團脫脂棉，塞上帶有玻璃尖嘴的橡膠塞（如圖12所示），待產生的氫氣將小瓶內的空氣排盡時，用火柴點燃，玻璃尖嘴處的氫氣立即燃燒（2H2+O2=點燃2H2O），發出淡藍色火焰，迅速將帶有細口小玻璃瓶的橡膠塞移到下口瓶的瓶口上方，使小瓶放入下口瓶內，然后將塞子塞緊在下口瓶的瓶口處（如圖13所示）。

7.3 氫氣在氯氣中燃燒

迅速向內推入注射器的注射栓，使濃鹽酸進入到PVC管內，濃鹽酸與高錳酸鉀晶體立即發生反應，生成氯氣[2KMnO4+16HCl（濃）=2MnCl2+ 2KCl+5Cl2↑+8H2O]。因氯氣的密度大于空氣的密度，空氣被氯氣通過干燥管排出瓶體外，當生成的氯氣淹沒火焰時，氫氣和氯氣發生反應（H2+Cl2點燃=2HCl），產生的火焰從淡藍色變成蒼白色，瓶內產生白色霧狀物質。

7.4 增大實驗的可見度

如果是白天做該實驗，因氫氣在氯氣中燃燒發出的是蒼白色火焰，很難觀察到現象。為了增大可見度，使觀察者或學生都能看到實驗現象，可以將加工好的紙箱套在瓶體上，使整個下口瓶裝在一個暗箱里（如圖14所示）。若在近前觀察時，向上掀開矩形條紙板，用肉眼可觀察到蒼白色火焰（如圖15所示）；若在教室里為全班學生演示，可將攝像頭插入暗箱圓孔內，通過大屏幕讓學生觀察實驗現象（如圖16所示）；倘若學生不在同一個地點，教師還可以讓手機的攝像頭對準圓孔內的蒼白色火焰，通過QQ群或QQ視頻向學生播放（如圖17所示），實驗效果相當好。

8 幾點說明

8.1 使用下口瓶的目的

選擇容積較大的下口瓶做此實驗目的有三個：一是利用下口瓶特殊的形狀，無需加工即可作為氫氣在氯氣中燃燒的實驗裝置，并且還不需要鐵架臺等固定裝置，簡單易行；二是利用較大的瓶體容積，氫氣在空氣中燃燒時間較長，可獲得氯氣的產生和將空氣排出的充裕時間，避免因缺氧而過早熄滅，造成實驗失敗；三是利用下口瓶較大的瓶口，便于選擇和向里面放置小吊瓶。

8.2 脫脂棉的作用

小吊瓶頸放置脫脂棉團的目的也有兩個：其一，可以吸水，起到干燥氣體的作用；其二，可以得到平穩的氫氣流，使燃燒時間可以持續10min左右。

8.3 干燥管的作用

8.4 小細口瓶以及玻璃尖嘴的要求

在選擇小細口瓶時有兩個要求：一是要求瓶的最大外徑不能大于下口瓶瓶口的內徑；二是細口瓶的高度與尖嘴高度之和越低越好（小瓶高度7cm，玻璃尖嘴高度2cm，總高度9cm），這樣生成的氯氣可迅速將氫氣在空氣中燃燒的火焰淹沒，縮短等待實驗的時間，提高實驗的成功率。

8.5 與現代技術有機結合

使用手機和攝像頭不僅可以擴大可見度，而且與現代通訊器材、信息手段有機結合起來，極大地激發了學生的學習興趣。

8.6 實驗的特點

該實驗裝置取材容易，制作簡單，現象明顯，通過實驗可以潛移默化地培養學生的創新精神和環保意識。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室編著.全日制普通高級中學教科書·化學（第一冊）（必修）[M].北京：人民教育出版社，2003：65.

[2]侯立平，齊俊林，王培明.氫氣在氯氣中燃燒實驗的封閉式裝置[J].化學教學，2012，（11）：48～49.

[3]劉洪運.氫氣在氯氣中燃燒實驗的改進[J].教學儀器與實驗，2006，（10）：44～45.