氯氣與水反應實驗的設計及相關教學探討

李振雯 秦浩正

摘要： 巧妙利用三頸燒瓶、氣球、一次性注射器、一次性塑料滴管和筆式酸度計等常用儀器，設計氯氣與水反應的完全密閉、不會造成氯氣泄漏的新實驗裝置。該裝置裝配簡單，現象明顯，用于教學中能夠使學生根據酸度計的讀數變化規律分析可逆反應歷程，探尋達到化學平衡狀態的特征，完成知識目標的同時，發展創新思維，培養實驗能力。

關鍵詞： 氯氣與水反應； 化學平衡； 可逆反應； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2018）4-0069-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

“化學平衡”是化學中平衡理論體系的核心，是學習電離平衡、水解平衡等的必備基礎知識，對深入理解其他平衡具有重要的理論指導意義。由于實際教學中很難找到合適的方法使學生直接感受化學平衡的建立過程，滬科版教材補充氫氣與碘單質的可逆反應，直接呈現反應物和生成物濃度隨時間變化的數據，用以說明可逆反應不能進行到底[1]。可逆反應存在化學平衡，多數教師在教學時僅限于宏觀性質的講解，學生對化學平衡的學習多為機械記憶，沒有進行太多的思維活動，很難理解并掌握這一概念，因此該內容一直是化學教學的重點和難點[2～3]。筆者認為有必要通過實驗幫助學生探討反應達到平衡狀態的過程與特征，通過宏觀的實驗現象解釋微觀反應歷程，建立坐標圖像模型，發展學生思維，幫助其理解與掌握知識[4]。

1 實驗選擇

在學習該內容之前，學生已經知道二氧化硫催化氧化、工業合成氨、二氧化碳與水、氯氣與水的反應是可逆反應，了解影響化學反應速率的因素，故在此基礎上可以深入探索可逆反應與化學平衡。在上述反應中，筆者選擇有色氣體氯氣和水的反應作為本節知識學習的載體，巧妙利用氣球和醫用注射器，使反應裝置密閉；用筆式酸度計測定溶液pH變化情況，酸度計讀數變化表示溶液中H+（生成物）的含量變化，解決反應現象不明顯的問題；實驗結束后，用NaOH溶液吸收殘余氯氣，防止污染，體現綠色化學的思想。

2 實驗改進

2.1 改進原理

氯氣與水的混合體系中同時存在氯氣的溶解平衡、氯氣與水反應的化學平衡和次氯酸的解離平衡，溶于水的部分氯氣與水發生反應生成HCl和HClO，此時氯氣與水反應的化學平衡與次氯酸的解離平衡同時存在且相互影響[5]。

25℃時，Ka（HClO）=2.95×10-8，根據范特霍夫方程可求得0℃時，Ka（HClO）=2.39×10-8；當體系中溶液pH<6.0時，兩溫度下，該溶液體系中HClO的各型體分布分數δHClO=[H+]/（[H+]+Ka）≈1， δClO-≈0，即在此狀態下可忽略HClO的解離過程，反應生成的HClO完全以HClO分子的形式存在，溶液中[Cl-]=[HClO]，可認為溶液中氯離子和次氯酸分子的濃度等于反應生成的氫離子濃度。因此，筆者通過測量溶液pH便能夠得到溶液中H+濃度，并推測出反應Cl2+H2OH++Cl-+HClO的正反應生成物（Cl-、 HClO）的濃度。

2.2 實驗藥品與裝置

2.2.1 實驗藥品與儀器

氯氣、蒸餾水、冰塊、氫氧化鈉溶液；250mL三頸燒瓶、1000mL燒杯、筆式酸度計、硅膠塞、一次性塑料滴管、50mL醫用注射器若干、氣球、秒表

2.2.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。三頸燒瓶三口分別用作通入氯氣（A）、插入筆式酸度計（B）、注入氫氧化鈉溶液（C）。A處用針筒通入氯氣，針頭下端插入一個一次性塑料滴管作為內導管，可將氯氣直接通入蒸餾水中，使反應物充分接觸，同時起防倒吸的作用；B口用氣球密封，通入氯氣之后，利用氣球的張力使體系內的總壓強基本保持不變，為該實驗創造了一個近似恒壓的條件。實驗結束后，C口用針筒注入NaOH溶液吸收殘余氯氣。將250mL三頸燒瓶放在1000mL大燒杯中，便于在實驗過程中觀察燒瓶內溶液與氣體的顏色，同時在實驗二中作為容器盛裝冰水混合物。

圖1 氯氣與水的反應實驗裝置圖

整個裝置簡易且完全密閉，不會造成氯氣泄漏，在課堂中既適合作為演示實驗，又適合學生分組實驗。

2.3 實驗過程與數據記錄

實驗一：

（1） 用針筒分別收集50mL氯氣[6]，30mL 1mol/L氫氧化鈉溶液，并將針頭扎入軟木塞中密封備用；

（2） 按圖1裝置組裝儀器，三頸燒瓶中盛100mL蒸餾水；

（3） 檢查裝置的氣密性： 用一次性醫用注射器通過三頸燒瓶的A口通入50mL空氣，通入之后一直按壓注射器不松手，發現B口處氣球鼓起，若2～3分鐘內氣球不癟下去，則該裝置氣密性良好；

（4） 記下B處筆式酸度計讀數，將收集滿Cl2的針筒插在三口燒瓶A處的針頭上，迅速通入Cl2，能夠發現B處氣球鼓起，然后癟下去。此過程中，一位實驗者手持秒表從通入氯氣時開始計時，觀察并報出酸度計的讀數（每秒報一次），另一位實驗者記錄數據，根據所得數據繪制溶液的pH-t趨勢圖。

實驗二：

（1） 在大燒杯中盛裝冰水混合物，使三頸燒瓶內的液面完全浸入冰水中，一位實驗者手持秒表從體系接觸冰水混合物之時開始計時，觀察并報出酸度計的讀數（每秒報一次），另一位實驗者記錄數據，根據所得數據在上述圖像中繼續繪制溶液的pH-t趨勢圖；

（2） 反應結束后，在C處扎入盛有氫氧化鈉溶液的針筒，將NaOH溶液注入三頸燒瓶中，吸收殘余氯氣。

2.4 數據收集與處理

筆者進行了一組實驗并記錄數據如表1、表2所示。實驗一從通入氯氣時開始計時，在第60s開始實驗二操作，每隔1s記錄一次酸度計的讀數，兩實驗酸度計讀數分別記為pH-1、 pH-2，并運用R語言統計軟件繪制pH-t趨勢圖如圖2所示。

裝置中A口處接一次性塑料滴管作為內導管，可將氯氣直接通入水中，氯氣與水充分接觸，發生可逆的化學反應。在通入氯氣之后，體系中該可逆反應正反應的反應物濃度大于逆反應的反應物濃度，正反應速率大于逆反應速率，即溶液中氫離子的生成速率大于消耗速率，因此溶液pH迅速下降。從t=0s時刻起，逆反應的反應物濃

表1 實驗一過程中溶液pH記錄（水起始溫度T=21℃，室溫T′=18℃）

表2 實驗二過程中溶液pH記錄（60s時三頸燒瓶浸入冰水中，冰水T=0℃，室溫T′=18℃）

圖2 溶液pH-t趨勢圖

度逐漸升高，正反應的反應物濃度逐漸降低，逆反應速率增大而正反應速率減小，正逆反應速率的差值逐漸減小，氫離子的生成量與消耗量的差值逐漸減小，因此，溶液中pH-t趨勢圖從t=0s時刻起先急速下降，后緩慢下降；t=15s時，正反應速率與逆反應速率相等，溶液pH不變，可視為該反應達到化學平衡狀態。

t=60s時，將三頸燒瓶浸入冰水混合物中，由于氯氣與水的正反應是放熱反應，降低體系溫度，平衡正向移動，此過程中，溶液pH又呈現先快速下降后緩慢下降的趨勢；t=88s時，溶液pH再次保持不變，說明該反應在此狀態下重新建立新的化學平衡。

當反應達到上述兩個平衡狀態時，三頸燒瓶中均能看到未反應的黃綠色氣體——氯氣，說明該反應是可逆反應，反應不能進行到底。

3 實驗在教學中的應用

本實驗可用于有關“化學平衡”的教學中，將難以直接觀察的可逆反應通過酸度計的讀數反映出來，根據酸度計的讀數變化規律分析該可逆反應的反應歷程，尋求反應達到化學平衡狀態的四個特征——①動： 動態平衡；②等： v（正）=v（逆）≠0；③定： 各組分含量保持不變；④變： 改變影響平衡的因素，平衡發生移動，并在該條件下建立新的平衡。

4 實驗優點

4.1 裝置簡單，實驗易操作

該實驗用到的三頸燒瓶、針筒、酸度計、氣球、一次性塑料滴管等均為實驗室常用儀器，可在課前搭建好，各準備兩針筒氯氣（一筒備用）、兩筒氫氧化鈉溶液（一筒備用），課堂中只需將氯氣注入三頸燒瓶中即可，不受條件限制，適合一般學校課堂。

4.2 現象明顯，實驗耗時短

通氯氣的針頭下接一次性塑料滴管，作為導管直接將氯氣通入水中，使反應物充分接觸，反應現象明顯，通入氯氣后即可觀察到酸度計示數的變化，半分鐘左右pH計讀數不再變化，此過程溶液pH呈現明顯的變化趨勢，即先迅速下降，再緩慢下降最終保持不變，整個實驗2～3分鐘即可完成。

4.3 可做進一步改進

該實驗用于探究可逆反應達到化學平衡狀態的特征，是化學平衡第一課時的內容，筆者選取筆式酸度計而未使用DIS傳感系統，是為了讓學生體驗完整的科學探究過程，培養學生的探究能力[7]。在接下來的有關平衡移動的教學中，可繼續利用該裝置，將酸度計換成傳感探頭（H+傳感器，Cl-傳感器，Cl2傳感器，壓強傳感器等）可由計算機直接呈現出相關物理量隨時間變化的圖像。

5 小結

本研究設計的氯氣與水反應的實驗裝置，裝配簡單，操作方便，現象明顯，且實驗過程中不會造成氯氣泄漏，綠色安全。將其用于有關“化學平衡”的教學中，對教材中很難用實驗表征的知

識內容加以補充，拓展了教材的思想與內涵，突出了實驗的基礎作用。學生在此過程中觀察、搜集證據，基于證據建立坐標圖像模型，由此分析可逆反應的反應歷程，參與尋求特征與概念的形成，在完成知識目標的同時，培養搜集證據、分析處理數據的能力，促進自身“證據推理與模型認知”、“科學探究與創新意識”[8]等化學學科核心素養的發展。

參考文獻：

[1]姚子鵬主編.高級中學課本·化學（高一年級第二學期）（試用本）（第1版）[M].上海.上海科學技術出版社，2007： 45～46

[2][3]任麗曼.高中生化學平衡學習困難的因素分析[D].上海： 上海師范大學碩士學位論文， 2010.

[4]唐紅珍.高中化學定量實驗能力培養的教學策略[J].化學教學， 2017，（6）： 49～52.

[5]張映明.氯氣與水的歧化反應是可逆反應[J].化學教學， 2015，（2）： 91～94.

[6]李猛，王世存.氯氣制備及性質實驗一體化設計[J].化學教學， 2016，（8）： 63～65.

[7]薛青峰.基于問題導引圖示教學法的實踐與反思[J].化學教學， 2017，（6）： 57～59.

[8]楊海艷.高中化學教材非實驗內容實驗化的探索[J].化學教學， 2016，（2）： 72～74.