磷在氯氣中燃燒實驗裝置的新設計

張麗敏 劉枚 李興

摘要： 通過對磷在氯氣中燃燒實驗的一些研究實例的分析和討論，認為對該實驗有進一步研究和改進的必要性。利用吸濾瓶、具支試管、一次性注射器以及激光筆等器材，通過設計環保一體化的實驗裝置，減少氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒時對環境的污染，解決了教材中光有講述沒有實驗的實際問題，為培養學生的科學素養和提高化學教學質量創造了條件。

關鍵詞： 紅磷; 氯氣; 燃燒; 實驗改進; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0065-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 問題提出

磷在點燃的條件下能與氯氣反應，是現行高中化學教材[1]中的重要知識點。教材中指出，磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷（PCl3），在過量的氯氣中燃燒生成五氯化磷（PCl5）。教材中光有這些理論知識，并沒有設計實驗加以驗證和說明。由于大多數教師缺乏有效的實驗手段，只能紙上談兵，常使學生感到枯燥無味，不利于培養學生的感性認識和科學素養。由于學生看不見磷在氯氣中燃燒的實驗現象，觀察不到三氯化磷轉化成五氯化磷的過程，學生在好奇心和求知欲的驅使下，往往對生成兩種氯化物的生成條件和轉化產生懷疑，甚至有的學生提出了一些問題。例如： 教材中給出的結論真的正確嗎？磷點燃時真能夠在氯氣中燃燒嗎？三氯化磷真的是無色液體嗎？磷在氯氣充足時真能生成五氯化磷嗎？五氯化磷是什么顏色和狀態？由此可見，這些問題雖然不大，但不通過實驗是很難解決的。由于教材沒有給出相應的實驗方法，學生提出的問題再多、再簡單，教師也是束手無策，無言以對，只能是書上怎么講，教師就怎么說，致使教師非常被動和尷尬。針對這種情況，我們利用吸濾瓶、氣球、一次性注射器、橡膠塞、激光筆等常見儀器，通過巧妙設計和組合，制作了磷在氯氣中燃燒的改進實驗裝置。

2? 研究現狀及分析

廣大化學教育工作者也曾研究、設計出了磷在氯氣中燃燒的一些實驗方案。這些實驗方案雖然解決了一定的問題，但仍然不盡如人意，具體表現為：

（1） 有的實驗方案需要復雜的氯氣制備系統，制備、收集氯氣時費時費力，不適應當今社會的環保要求，不利于培養學生的環保意識。

例1? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[2]一文（見圖1）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統;②點燃紅磷時必須在瓶外點燃，既造成了紅磷燃燒生成五氧化二磷的粉塵污染，又造成了瓶內氯氣外逸的氣體污染;③沒有指明氯氣是干燥的，容易使磷的氯化物發生水解，影響實驗效果。

圖1? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”一文中的裝置

例2? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[3]存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統;②直接將氯氣瓶扣在燃燒的紅磷上，粉塵污染和氣體污染更為嚴重。

例3? “磷在氯氣中燃燒的實驗改進”[4]（見圖2）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統，在注射器內收集氯氣，容易使氯氣外逸;②點燃紅磷時容易造成粉塵污染;③當紅磷在氯氣中燃燒時由于是放熱反應，具支試管上的膠塞很難塞住，容易被頂出，造成室內污染。

圖2? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”

一文中的裝置

（2） 有的實驗方法很難得到實驗現象，失去了化學實驗的教學意義。

例4? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[5]（見圖3）存在問題有： ①點燃紅磷時容易造成粉塵污染;②實驗現象容易受氯氣制備的干擾，因為在反應器內存在大量水蒸氣，生成的三氯化磷和五氯化磷容易水解（PCl3+3H2OH3PO3+3HCl、 PCl5+4H2OH3PO4+5HCl），最終很難看到兩種產物的生成過程。

圖3? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”

一文中的裝置

上述事實說明，進一步研究紅磷在氯氣中燃燒實驗的方案是很有必要的，通過研究紅磷在氯氣中燃燒的實驗方法，可以完善前人的實驗方案，為提高化學教學質量做出貢獻。

3? 研究理念

根據氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒的特點，立足于實驗的簡單化、環保化、一體化，努力保證實驗的科學性、安全性、可操作性。制備氯氣時，可以用高錳酸鉀晶體與濃鹽酸反應來完成;可以用濃硫酸干燥氯氣;剩余的氯氣可以用氫氧化鈉溶液來吸收;各種實驗儀器通過精心設計、巧妙組合，最終實現氯氣制備、磷在氯氣中燃燒和有毒氣體吸收的一體化，確保實驗者能很好地使用該實驗裝置，順利完成教學任務。

4? 設計方案

依據設計理念，氯氣的制備可以利用具支試管作為反應器。具支試管底部盛放高錳酸鉀晶體，然后將注射器內的濃鹽酸慢慢注入具支試管內，使兩者發生反應。生成的氯氣通過另一支具支試管內的濃硫酸被干燥，磷和干燥的氯氣發生反應是在吸濾瓶內進行，點燃磷的方法是用激光筆照射來完成，有毒物質則利用氣球里的氫氧化鈉溶液來吸收。使用氣球有兩個作用： 一是可以平衡吸濾瓶內部與外部的壓強;二是防止多余的氯氣外逸，不僅保證實驗的安全性，而且還可以防止橡膠塞被頂出，造成有毒氣體的外泄。

5? 反應原理

（1） 高錳酸鉀與濃鹽酸反應生成氯氣

2KMnO4+16HCl（濃）

2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2） 磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷

2P+3Cl2點燃2PCl3

（3） 磷在充足的氯氣中燃燒生成五氯化磷

2P+5Cl2點燃2PCl5

（4） 反應剩余的氯氣被氫氧化鈉溶液吸收

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

（5） 磷的氯化物的水解

① 三氯化磷的水解反應

PCl3+3H2OH3PO3+3HCl

② 五氯化磷的水解反應

PCl5+4H2OH3PO4+5HCl

6? 實驗用品

吸濾瓶（500mL）1個、大功率激光筆（2W）1支、具支試管（2×20cm， 1.5×15cm）各1支、一次性注射器（50mL）1支、大號氣球1個、3號單孔橡膠塞1個、3號橡膠塞1個、6號雙孔橡膠塞1個、直角玻璃管2根、細線、硬質橡膠管若干

高錳酸鉀晶體、濃鹽酸（37%）、干燥紅磷、10%氫氧化鈉溶液、濃硫酸（98%）、干燥細沙等

7? 裝置設計

實驗裝置如圖4所示。

A濃鹽酸20mL;B濃硫酸5mL;C高錳酸鉀晶體5g;D氣球;E激光束;F激光筆;G氫氧化鈉溶液;H氯氣;I紅磷;J細沙層0.3cm

圖4? 實驗裝置

8? 操作過程及現象

（1） 首先按照實驗裝置（如圖4所示），將儀器組裝、連接好，所用藥品填裝好。

（2） 用力下推一次性注射器的活栓，使濃鹽酸慢慢滴入盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內，反應立即進行[2KMnO4+16HCl（濃）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O]，生成的氯氣通過另一支具支試管內的濃硫酸干燥后進入吸濾瓶內。

（3） 當吸濾瓶內有淡淡的黃綠色氯氣時，用激光筆的綠色光照射紅磷，紅磷在氯氣中立即燃燒（2P+3Cl2點燃2PCl3），發出白光，并在吸濾瓶的內壁上有水珠狀無色的液體產生，此無色的液體即為三氯化磷。

（4） 繼續用力下推一次性注射器的活栓，當吸濾瓶內有大量黃綠色氯氣時，紅磷繼續燃燒，并可發現有白煙生成（2P+5Cl2點燃2PCl5），然后附著在瓶壁上，由此說明當氯氣充足時生成了五氯化磷的晶體。

（5） 紅磷燃燒結束后，停止向盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內加入濃鹽酸，吸濾瓶內逸出的氯氣被氣球內的氫氧化鈉溶液吸收（Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O）。

（6） 向吸濾瓶內注入氫氧化鈉溶液，將生成的三氯化磷、五氯化磷吸收（PCl3+6NaOHNa3PO3+3NaCl+3H2O、 PCl5+8NaOHNa3PO4+5NaCl+4H2O）。

9? 幾點說明

（1） 實驗所用的紅磷也可用白磷代替，效果也佳。

（2） 用濃硫酸干燥氯氣可以保證紅磷與干燥的氯氣發生反應生成磷的氯化物，不至于發生水解而干擾實驗現象。

（3） 吸濾瓶底部的干燥細沙層起到隔熱的作用，防止紅磷燃燒時將瓶底燙裂，造成有毒氣體外泄，使實驗失敗。

（4） 嚴禁用激光筆照射眼睛，以防造成燒傷。

10? 結語

本實驗方案具有構思巧妙、簡單易行、環保安全、現象明顯等諸多特點。通過課堂實驗過程中的氯氣制備、激光點燃、紅磷燃燒、三氯化磷和五氯化磷的生成等，能夠有效地幫助學生解惑答疑，進而增大化學理論的可信度，加深學生對有關知識的理解和記憶，培養了學生的創新精神，增強了學生的環保意識，為培養學生的學科素養、提高化學教學質量創造了條件。

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（必修加選修）·化學（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 5.

[2]李荒生. 磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 湖北中小學實驗室， 1977， （1）： 13.

[3]王汝坦. 紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 教學儀器與實驗， 1992， （4）： 7.

[4]蔡清華. 磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 化學教學， 1998， （1）： 7.

[5]李秀波. 紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 教學儀器與實驗， 2001， （1）： 11.