巧用石棉和注射器改進銅與氯氣反應的實驗

周學工 戚金麗

摘要：銅與氯氣反應實驗中，氯氣需提前制備給我們的教學帶來諸多不便，且該實驗操作中未反應的氯氣、生成的氯化銅煙不可避免地外逸造成環境的污染。作者針對該實驗存在的缺點進行改進，利用注射器和H管實現了氯氣的制取及銅與氯氣的反應一體化，將制取氯氣、溶解氯化銅、氯氣尾氣吸收進行流水線處理;利用石棉能讓銅與氯氣充分接觸反應，且能有效防止H管因銅絲燃燒放熱而爆裂，同時充當濾紙過濾不溶物得到澄清氯化銅溶液。

關鍵詞：氯化銅制取;實驗改進

文章編號：1008-0546（2019）12-0095-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.030

一、引言

氯氣是一種黃綠色、有刺激性氣味的有毒氣體。毒性主要表現在其通過呼吸道侵入人體并溶解在黏膜所含的水分里，生成次氯酸和鹽酸，對上呼吸道黏膜造成損傷，中毒的明顯癥狀是發生劇烈的咳嗽。癥狀重時，會發生肺水腫，使循環作用困難而致死亡。由于氯氣的劇毒性，許多中學化學教師對氯氣性質的實驗探究望而卻步，對氯氣性質探究的課堂教學也顯得枯燥乏味。

銅與氯氣反應在現人教版化學第一冊第67頁中只指出：銅能在氯氣中劇烈燃燒，刪除了該反應的課堂演示實驗。舊版人教版第一冊（2000年初審通過）第67頁，介紹該實驗的實驗步驟為：用坩堝鉗夾住一束鐵絲或銅絲，灼熱后立刻放入充滿氯氣的集氣瓶里。觀察發生的現象，然后把少量的水注入集氣瓶里，用玻璃片蓋住瓶口并振蕩，觀察溶液的顏色。此方法雖然裝置簡易、操作方便，但存在較大的安全隱患。如：將銅絲伸入集氣瓶過程中導致有毒的氯氣外逸;氯氣與銅反應后產生的氯化銅煙也會外逸;最后打開玻璃片加水溶解氯化銅時未反應的氯氣和氯化銅煙都會逸出造成二次污染。由此可見，在課堂上完成該實驗對師生健康不利。蘇教版必修I第42頁對該實驗的描述省略加水溶解步驟，其余與人教版一致，仍舊存在安全隱患。

文獻對銅與氯氣反應的實驗改進研究有較多報道。主要方法是向封閉容器（三頸燒瓶、試管等）中通人事先收集的氯氣，或事先在封閉體系中收集滿氯氣，并加熱銅絲后進行反應，目的是防止氯氣逸出。這些方法雖一定程度上消除氯氣外逸造成的危害，但需要事先制備氯氣仍給教學帶來諸多不便。如，該教學內容為當天第一節課，需要提前一天制備氯氣，但由于氣密性等原因會造成氯氣濃度下降影響實驗的成功率。也有實驗改進利用針筒注射濃鹽酸與高錳酸鉀或氯酸鉀反應來實現制備氯氣，和銅與氯氣反應實驗的一體化，但需要將銅絲在外環境中加熱后再通過軟木塞插入容器中（集氣瓶、布氏漏斗等）。這些在外環境中加熱的實驗不能實現綠色化，如，將針筒換成熱的銅絲時，氯氣會外逸造成環境污染等。

為了實現CuCI2制備實驗的一體化、綠色化，以及實現操作簡便、反應快、現象明顯等目的，筆者利用實驗室常見儀器H管和注射器，將濃鹽酸通過注射器壓入H管中與高錳酸鉀反應制取氯氣，另一端加熱銅絲，使得產生的氯氣通過H管中部連通部分擴散到銅絲處，與熱銅絲反應。再巧用注射器將蒸餾水吸人H管中，觀察固體產物溶于水后的顏色變化，證明銅被氯氣氧化后產物為氯化銅。這樣改進不僅實現人教版教材上需要達到的銅在氯氣中燃燒以及產物氯化銅溶解的實驗目的，也符合化學新課程標準的環境保護這一教育理念，培養學生的環保意識和自我保護意識。

二、實驗

1.儀器及用品

H管、鐵架臺、酒精燈、止水夾、導管、橡皮管、注射器、燒杯、軟木塞、石棉;高錳酸鉀、濃鹽酸、銅絲、蒸餾水、NaOH溶液。

2.實驗裝置

3.實驗步驟和實驗現象

（1）按實驗裝置圖1、圖2所示安裝儀器，并進行氣密性檢查。方法為：打開NaOH溶液和蒸餾水處的止水夾，拉注射器，若觀察到兩處導管液面均升高，且上升高度一致，且一段時間后不下降，表示氣密性良好，可以繼續進行實驗。

（2）用鑷子向H管一端裝入少量石棉，置于H管連通管以下部分且靠近連通管約1/3處，將銅絲卷成團狀后輕輕置于石棉上以免石棉掉落至H管底部。H管的另一端裝入少量高錳酸鉀固體，注射器中裝入少量濃鹽酸，待用。

（3）關閉蒸餾水處止水夾，打開NaOH溶液處止水夾，將H管橫放（便于銅絲的加熱），點燃酒精燈，加熱銅絲（約1-2分鐘）直至銅絲紅亮（圖3）。待銅絲紅亮后撤走酒精燈，將H管豎立后，立即推注射器將濃鹽酸注入高錳酸鉀中進行反應，觀察到有黃綠色氣體產生并且氣體通過H管中間連通部分進入另一端。繼而與石棉上的熱銅絲接觸，立即觀察到銅絲在石棉上劇烈燃燒起來，產生棕黃色的煙（圖4）。

（4）反應結束后，待H管冷卻，打開蒸餾水處止水夾，關閉NaOH溶液處止水夾，拉注射器將蒸餾水吸入H管中。吸入的蒸餾水將產物氯化銅固體溶解后透過石棉流到H管底部，即石棉充當濾紙的角色，過濾除去未反應的固體后在H管底部得到藍色澄清溶液（圖5）。故步驟（2）中加入的石棉置于H管連通管以下部分且靠近連通管約1/3處，不能太靠近H管連通部分，否則吸人的水會通過連通管進入另一端，導致在H管裝銅絲的一端觀察不到藍色溶液。

（5）最后，進行尾氣處理。關閉蒸餾水處止水夾，打開NaOH溶液處止水夾，多次推注射器將裝置中的氣體（目的是未反應的氯氣）推入NaOH溶液中進行尾氣處理以免污染大氣（圖6）。

三、實驗優點及創新

1.本實驗實現了氯氣的制備與銅在氯氣巾燃燒一體化，即氯氣無需事先準備，故不用擔心因連續上幾個班級課后，事前收集的集氣瓶巾的氯氣擴散到空氣巾造成濃度降低影響實驗的成功率。

2.本實驗巾氯氣以及產物氯化銅煙不會逸散到空氣巾，實現了課堂演示實驗綠色環保，不損害師生身體健康。

3.本實驗經改進后的裝置簡單、實驗操作方便、藥品用量少、反應速率快、實驗現象明顯等優點，符合課堂教學要求。

4.本實驗巧用石棉，其優點如下：①通過石棉將銅絲從H管底部向上提，將其架空至靠近連通管約1/3處。此處能使得銅絲提早與氯氣接觸（相比H管底部），且接近連通管部位氯氣的濃度較大，故銅與氯氣的反應速率越快;②將銅絲置于石棉上，可使銅絲在石棉上燃燒而非在H管底部燃燒，避免H管因高溫爆裂;③用注射器吸取蒸餾水來溶解氯化銅巾，石棉起到濾紙作用，過濾未反應和不反應物質，得到藍色澄清溶液。

5.本實驗巧用注射器：①推注射器將濃鹽酸壓人H管巾，制取氯氣;②拉注射器將蒸餾水吸入H管巾，溶解產物氯化銅形成藍色溶液，驗證氯氣將銅氧化為銅離子;③再推注射器排出氯氣，并將氯氣通人Na0H溶液巾進行尾氣吸收。注射器的利用增加了實驗的趣味性，激發學生學習化學的興趣。

6.本實驗利用濃鹽酸和高錳酸鉀制備氯氣（書本為濃鹽酸和二氧化錳），該反應無需加熱反應速率快，可以立即觀察到黃綠色氣體產生，且銅絲在石棉上劇烈燃燒現象明顯，能帶來視覺上的刺激，激發學生對化學學習的興趣。