氯氣與水反應可逆過程的數字化實驗

蔣金虎黃穎潔項云

（南京市第十三中學江蘇南京210008）

氯氣與水反應可逆過程的數字化實驗

蔣金虎黃穎潔項云

（南京市第十三中學江蘇南京210008）

不同版本教材對可逆反應教學的處理不同，教學中教師對氯氣與水反應的過程是可逆的處理也不同，本實驗運用數字化實驗系統將氯氣與水反應可逆過程實現可視化，實現通過氯氣與水反應可逆過程進行可逆反應的教學的統一。并根據實驗所得數據和曲線分析氯氣溶于水過程中溶解平衡與氯氣與水可逆反應平衡的建立過程。

數字化實驗;氯氣與水反應;可逆反應

一、創新實驗來源

1.不同版本教材對可逆反應教學的不同處理

蘇教版《化學1》專題二從海水中獲得化學物質［1］，在講解氯氣與水反應時，以Cl2+H2O■■■■HCl+HClO進行了可逆反應的概念及應用的教學，因此學生對氯氣與水反應是可逆反應并無異議。但人教版《化學1》第四章非金屬及其化合物第二節富集在海水中的元素——氯［2］中，在講解氯氣與水反應時，運用的反應方程式為Cl2+H2O====HCl+HClO,未涉及可逆反應教學內容，對于可逆反應的教學內容人教版是安排在《化學2》第二章化學反應與能量中第三節化學反應速率和限度［3］時進行教學的，因此學生在學習氯氣時并不知道氯氣與水反應為可逆反應，導致產生錯誤認識以及對氯氣與水反應方程式書寫產生困惑，也嚴重影響學生對氯水性質的理解與運用。

2.實驗教學中產生的疑難

在人教版《化學2》第三章有機化合物第一節最簡單的有機物——甲烷“科學探究”［4］中，要通過排飽和食鹽水的方法收集氯氣。不能用排水法收集氯氣的原理學生在化學1已習得，但為什么可以用排飽和食鹽水的方法收集氯氣呢？如果此時再進行氯氣與水反應是可逆反應以及平衡教學，不僅對甲烷性質的學習產生干擾，而且學生對氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解度較小還是很難理解。

因此，在氯氣與水的反應教學中結合可逆反應與化學平衡教學內容將會使兩者相互促進相得益彰。那么，如何通過實驗手段來揭示氯氣與水反應的可逆過程呢？本設計通過數字化實驗的方式將氯氣與水反應的可逆過程實現可視化，讓學生真正理解其可逆反應的實質以及為什么可以通過排飽和食鹽水的方法收集氯氣。

二、實驗試劑及儀器

實驗試劑：氯氣、水、氯化鈉固體

實驗儀器：威尼爾數字化實驗儀器（pH傳感器、壓強傳感器）、500mL三頸燒瓶、干燥管、100mL注射器、膠塞、導管。

三、實驗裝置及構造

圖1 實驗裝置

四、實驗原理分析

1.氯氣溶于水存在氯氣的溶解平衡和氯氣與水反應的兩種平衡，兩種平衡共存及相互影響。

2.在體積不變的密閉體系中，向收集滿氯氣的容器中加入一定量的水后，分別建立氯氣溶解平衡和氯氣與水反應可逆平衡，此時，容器內氣體壓強以及溶液pH將減小直至不再變化（都達到平衡）。當兩者均達到平衡狀態后，加入大量氯化鈉固體，使得溶液中氯離子濃度增大直至達到飽和。根據勒夏特列原理，Cl2+H2O■■■■H++Cl—+HClO，氯離子濃度增大，平衡逆向移動，氫離子濃度減小，溶液pH增大，氯氣物質的量增大，又導致氯氣溶解平衡向逸出氯氣方向移動，從而使密閉容器內壓強增大。借助數字化實驗儀器可以用壓強傳感器將密閉體系中壓強的變化數據、pH傳感器將溶液pH值的變化數據收集并轉化為曲線在電腦上直觀顯現出來，達到將氯氣與水反應可逆過程可視化的目的。

五、實驗步驟及現象

1.按實驗裝置連接好儀器（儀器內無試劑，注射器內管盡可能向外拉開以便收集更多空氣），打開程序，開始數據采集，觀察壓力傳感器數據及曲線變化。當數據不再變化時，將注射器內空氣壓入三頸燒瓶，觀察到壓力傳感器收集的數據不再增大并且30秒數據保持不變（或曲線30秒都不再上升），說明裝置氣密性良好。

2.用100mL注射器吸入約50mL的水，將注射器針頭插入帶有單孔玻璃管的膠塞中。

3.向球形干燥管內加入約20g氯化鈉固體（要研細，防止氯化鈉固體堵塞球形干燥管的細管而不能順利滑入三頸燒瓶中），用膠塞塞緊球形干燥管的粗口，用橡皮管將球形干燥管細口與單孔塞玻璃管連接。將單孔塞塞緊三頸燒瓶右口。

4.將裝有pH傳感器的膠塞塞緊三頸燒瓶中口。

5.用向上排空氣法收集滿一三頸燒瓶的氯氣，將裝有壓強傳感器的膠塞塞緊三頸燒瓶左口。

6.將三頸燒瓶固定在磁力攪拌器的鐵架上。

7.將壓強傳感器、pH傳感器與數據采集器連接，打開電腦程序，打開壓強傳感器活塞，開啟磁力攪拌器，將球形干燥管略向上傾斜（保證球形干燥管內空氣與三頸燒瓶內氯氣相通），開始采集數據。

8.迅速將注射器中的水壓入三頸燒瓶中（注意壓完后不能松手），觀察壓強、pH的數值變化以及曲線變化情況，在500秒左右，發現壓強、pH的數值在10秒內幾乎不再變化（見數據表1），此時用手敲擊球形干燥管使氯化鈉固體全部順利滑入三頸燒瓶中，得到實驗可視化圖1。

9.重復操作步驟2—8，觀察到在380秒時pH的數值在10秒內幾乎不再變化而壓強的數值在10秒內仍在減小（見數據表2），于383秒時用手敲擊球形干燥管使部分氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數據（見數據表3）及圖形變化；在430秒左右時pH的數值在10秒內幾乎不再變化而壓強的數值在10秒內仍在減小（見數據表4），于383秒時用手敲擊球形干燥管使部分氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數據（見數據表4）及圖形變化；在510秒左右時pH的數值在10秒內幾乎不再變化而壓強的數值在10秒內減小不明顯（見數據表5），于513秒時用手敲擊球形干燥管使剩余氯化鈉固體順利滑入三頸燒瓶中，觀察數據（見數據表5）及圖形變化，最終得到實驗可視化圖2。

圖2 實驗數據表

圖3 實驗可視化圖

六、數據及實驗可視化圖分析與處理

結合數據表1及實驗可視化圖1可知，將注射器內水壓入三頸燒瓶中時，因氯氣體積減小壓強數值增大壓強曲線上升，但因pH傳感器探頭還未完全浸沒在水中，所以此時pH數值及曲線不穩定。當水全部被壓入后，壓強與pH值同時減小曲線同時下降，此時氯氣溶于水以及溶于水的部分氯氣與水反應；一段時間后，pH值先于壓強數值不再變化，當壓強與pH值都不再隨時間變化而變化時，說明氯氣溶解與氯氣與水反應都建立了平衡；此時加入氯化鈉固體，氯離子濃度增大，圖中壓強與pH值也都增大，pH值增大說明氫離子濃度減小，說明反應逆向進行，因此，氯氣與水反應是可逆反應；壓強增大，說明從溶液中逸出的氯氣增多，說明氯氣溶于水存在溶解平衡。當氯氣溶解與氯氣與水反應都建立了平衡后加入氯化鈉固體，壓強與pH值同時增大曲線同時上升，說明氯氣在飽和氯化鈉溶液中溶解度減小，因此，可以用排飽和食鹽水的方法來收集氯氣。

結合數據表2、3、4、5及實驗可視化圖2可知，當溶液pH值在一段時間內不再變化但是壓強數值卻還在減小，且加入部分氯化鈉固體后，pH增大而壓強依然在減小，說明氯氣溶于水時存在氯氣溶解和溶解的氯氣部分與水反應，氯氣溶解平衡的建立與氯氣與水反應可逆平衡的建立是兩個相對獨立的過程，并且氯氣與水可逆反應先于氯氣溶解建立平衡；結合數據表1及實驗可視化圖1，說明只有當氯氣溶解與氯氣與水可逆反應都達到平衡后，加入氯化鈉固體將對兩個平衡移動產生一致影響，才會使壓強及pH值同時增大曲線同時上升。

七、實驗設計特色

1.對于氯氣與水反應可逆過程的理解，教師上課時用語言一直無法作出讓學生信服的描述。通過本實驗可以將可逆過程通過pH、壓強數值變化直觀感知且可以通過pH、壓強變化曲線將可逆過程可視化，進而進一步理解氯氣可以用排飽和食鹽水收集的原因。“三種傳感器多重表征探究氯水反應的可逆性”［5］一文，用下圖4裝置實驗得出圖5現象結論，但本實驗設計與之相比，將敞口體系變為密閉體系，同時將單一傳感器的使用變為多種傳感器協同運用，達到立體多因素探究，更加直觀顯現出氯氣與水反應的可逆過程。由向水中通入氯氣（必然導致少量氯氣外泄引起污染）變為向密閉容器中的氯氣注入水達到綠色環保。由藥匙或燃燒匙加固體氯化鈉改為干燥管加氯化鈉，不僅保證體系密閉，而且可以加大氯化鈉用量達到飽和，使實驗現象更加明顯,曲線更加清晰。

圖4 裝置圖

當曲線下降至基本不變時，關閉活塞停止通入氯氣。保持遮光，旋轉燃燒匙加入固體氯化鈉，觀察pH曲線變化，變化趨勢如圖5所示。

圖5 飽和氯水中溶解氯化鈉固體的pH變化

2.該實驗操作簡單方便，在課堂教學運用綠色環保，通過實驗，引導學生分析氯氣和水所發生的可逆反應，深入理解平衡移動的實質。在此過程中，進一步培養學生的核心素養。

3.可以厘清氯氣溶于水與氯氣與水反應之間的關系。多次實驗結果說明，氯氣溶于水包括氯氣的溶解和氯氣與水反應兩個過程，兩個過程具有相對獨立性；氯氣溶解平衡的建立與氯氣與水反應平衡的建立不是同步的，具有相對獨立性，氯氣與水反應可逆平衡先于氯氣溶解平衡建立；當氯氣溶解過程與氯氣與水反應過程都未達平衡時加入較多固體氯化鈉時，氯氣與水反應先于氯氣溶解逆向進行，會出現壓強上升滯后pH的現象；當兩個過程都達平衡后，再加固體氯化鈉兩者將同步逆向進行。

［1］王祖浩.普通高中課程標準試驗教科書：化學1（必修）（第6版）［M］.南京：江蘇鳳凰教育出版社，2014：41-43

［2］宋心琦.普通高中課程標準試驗教科書.化學1（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：82-85

［3］宋心琦.普通高中課程標準試驗教科書.化學2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：50-51

［4］宋心琦.普通高中課程標準試驗教科書.化學2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：61

［5］周美華,后勇軍.三種傳感器多重表征探究氯水反應的可逆性［J］.化學教與學,2016（10）:90-91

1008-0546（2017）09-0072-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.024