氯氣制備與性質實驗一體化的創新設計

◇ 許美蓮 夏加亮

1 問題提出

氯氣作為鹵素的代表，其制備與性質實驗是高中化學中的經典實驗之一．氯氣的演示實驗地位十分重要，但卻因氯氣有毒，導致師生對氯氣心生畏懼．再者，根據教材的實驗設計進行演示，用MnO2與濃鹽酸混合加熱制氯氣，能源消耗大而且氯氣的性質實驗分多步、多裝置進行[至少需要8瓶氯氣(共約1200 mL)]，不僅實驗耗時長，操作復雜，耗氯氣量大，浪費藥品嚴重，還需要多次打開集氣瓶的蓋玻片，導致氯氣外泄，污染大，危害師生健康．在教授這節內容時，很多教師就直接放棄實驗，改為黑板實驗或視頻實驗．

2 研究現狀

2.1 實驗裝置方面

多數是微型實驗，可見度低，有的實驗需要使用的儀器多，組裝煩瑣又有難度，有的性質檢驗類實驗偏少，有的沒有防倒吸措施，有的反應后裝置內殘留氯氣的處理方法未提及；有些分段實驗，所用器材較多、操作頻繁、耗時長，每步都要用注射器，甚至需用一支注射器向另一支注射器取氯氣，有易扎傷的危險，學生在觀察實驗時沒有安全感．

2.2 實驗內容方面

排除干擾是物質檢驗成功的關鍵，如果不排除混在氯氣中的氯化氫氣體，這樣檢驗氯氣與水反應是否產生H＋和Cl－的方法是無效的；多數實驗不干燥氯氣，用干、濕試紙做對比研究也無效；有的不檢驗Cl－；有的不檢驗氯氣是否有漂白性；有的實驗在檢驗氯水中的Cl－時，滴加AgNO3溶液后滴加稀硝酸，但這是不必要的，因為在上一步實驗中檢驗了氯水呈酸性．

筆者經過研究教材和大量文獻，結合自己的實驗教學經驗，多次實驗、反復修改，用常規儀器設計出氯氣制備與性質實驗的一體化創新實驗，能彌補以上不足，適合課堂演示．

3 實驗儀器、藥品及用品

3.1 儀器

250mL集氣瓶(1個)、細鐵絲(3根)、相應規格的膠塞(7個，根據實驗裝置選擇大小和打孔)、具支試管(2cm×20cm1支，1．5cm×15cm2支)；硬質玻璃管(1支)、一次性注射器(10mL、30mL、50mL各1支)、大功率激光筆(1支，2 W)等．

3.2 試劑及用品

KMnO4固體、濃鹽酸、紫色石蕊試液、酚酞-NaOH溶 液、淀 粉-KI溶 液、NaBr溶 液、AgNO3溶液、金屬鈉、蒸餾水、無水CaCl2、NaOH濃溶液、紅色紙條、海綿薄片、棉花、石棉絨、橡皮筋．

4 實驗幾點說明

1)課前準備:取3根長度分別是6cm、7cm、8cm的細鐵絲，插在6號膠塞上，8cm長的鐵絲插中間，上端分開形成樹形，將兩小片紅色紙條穿插在8cm長的鐵絲上端，另兩根鐵絲上各套上兩個棉花團(見圖1)．

圖1

2)選用固體干燥劑和硬質玻璃管作干燥裝置，目的是減少使用橡皮管連接儀器，使裝置更簡便、穩固，以省去夾持儀器．用海綿薄片堵住硬質玻璃管兩頭防止無水CaCl2進入導管．

3)這里用蒸餾水替代飽和食鹽水除去混在氯氣中的氯化氫氣體，目的不僅是除雜，還可探究氯氣的水溶性和制備氯水，且這里水量少，耗氯氣不多．但課堂演示時要給學生講清楚:一般情況下是使用飽和食鹽水除氯氣中的氯化氫氣體．

4)見圖2，實驗操作前先給集氣瓶外的儀器填充試劑并連接好，再給“花樹”滴加試劑．把“花樹”放入集氣瓶后迅速用大膠塞塞緊集氣瓶口，立即產生氯氣．需防止“花樹”在集氣瓶內時間太長，各試劑水分蒸發使干燥紅色紙條變潮濕．

5 實驗步驟及現象分析

1)檢查圖2裝置氣密性．向上拉注射器的活塞一段距離，松開，若注射器活塞又回歸原位，說明裝置氣密性良好．

2)用注射器吸入8mL濃鹽酸，左、中、右三支具支試管分別裝5mL蒸餾水、1．5gKMnO4、用石棉絨墊著的綠豆大小金屬鈉，硬質玻璃管填滿無水CaCl2，氣球內注入NaOH濃溶液，組裝好這部分儀器．

圖2

3)滴加相應試劑制成“花樹”，再將盛有AgNO3溶液的小燒杯放在插“花樹”的6號膠塞上．

4)用鑷子夾起“花樹”中間這根鐵絲，連同小燒杯、“花樹”和6號膠塞一起放入集氣瓶中．按圖2所示連接好實驗裝置．

5)用力向下輕輕推注射器活栓，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，觀察到黃綠色氣體產生．

6)觀察左側具支試管內的現象．蒸餾水由無色變黃綠色，推理氯氣能溶于水，根據氯化氫極易溶于水的性質推斷混在氯氣中的氯化氫氣體能被水除去，氯氣經無水CaCl2干燥后進入集氣瓶．

7)觀察集氣瓶內的現象:當黃綠色氣體緩緩從集氣瓶底部往上飄時，各反應現象漸漸出現，引導學生邊觀察邊分析邊推理．

a)滴有淀粉-KI溶液的棉花團變藍色，滴有溴化鈉的棉花團變橙黃色，說明氯氣分別與KI、NaBr反應生成Br2和I2，且氯氣的氧化性比Br2、I2強；b)干燥的紅色紙條不褪色，濕潤的紙條紅色褪去，證實氯氣沒有漂白性，推理氯氣與水反應生成有漂白性的次氯酸；c)紫色石蕊試液先變紅后褪色，AgNO3溶液中出現白色沉淀，說明氯氣與水反應生成了氫離子、次氯酸和氯離子，結合上面的氯水呈黃綠色，進行以下邏輯推理:氯氣能與水反應→反應后溶液仍然顯黃綠色→溶液中還存在氯氣→氯氣與水反應不完全→反應是可逆的→書寫氯氣與水反應的方程式時用可逆號；d)滴有酚酞的氫氧化鈉溶液紅色褪去，說明氯氣能跟氫氧化鈉發生反應；e)氯氣從集氣瓶內的長導管進、短導管出，推理氯氣的密度比空氣大．

8)觀察右側具支試管內的現象:當右側具支試管內有淡淡的黃綠色氯氣時，用激光筆照射金屬鈉，鈉在氯氣中立即燃燒，發出黃色火焰，生成大量白煙．說明氯氣有較強的氧化性，且燃燒不一定要有氧氣參加．

9)反應結束后，用注射器向集氣瓶中注入30mL NaOH濃溶液，然后拔出裝濃鹽酸的注射器，換上裝有空氣的50mL注射器，將空氣壓入中間一支具支試管(多次壓入空氣)，使裝置內多余的氯氣被集氣瓶和氣球內NaOH濃溶液全部吸收．

10)為了增強實驗的說服力以及實驗內容的全面性，探究過程中可增設3個實驗．

a)紅紙上滴加稀鹽酸，以證實鹽酸沒有漂白性；b)裝置中殘留的氯氣被全部吸收后取出集氣瓶內褪色的紙條加熱，顏色不復原，說明次氯酸的漂白是不可逆的；c)取少量氯水于試管中并加熱，可觀察到氯水顏色逐漸變淡，最后變無色，再滴加紫色石蕊試液，溶液變紅后不褪色，說明次氯酸不穩定已分解．

6 創新實驗的優點

6.1 實驗內容豐富全面

該實驗以獨特的方式完成“制氣體→除雜→干燥→性質及產物檢驗→尾氣處理”全過程，實驗內容豐富全面，增強了知識之間的相互聯系，利于學生構建知識體系，提升“宏觀辨識與微觀探析”素養．

6.2 實驗裝置簡便美觀

1)主要利用注射器、具支試管、集氣瓶等常規儀器，實驗所需儀器種類少，體現出“一物多用，物盡其用”的理念．

2)不需要用到夾持儀器，完全靠一個集氣瓶支撐整套裝置，裝置簡便、穩固，教師可把整套裝置拿在手上，在教室內走一圈，以便學生觀察，加強教學互動．

3)注射器與氣球的巧妙組合起到很好的平衡壓強作用，確保實驗的安全性，同時培養學生的“變化觀念與平衡思想”素養．

4)三支長度不等的鐵絲，做成有錯落感的“樹枝”，把實驗裝置做成“花樹”，簡單美觀，一套實驗裝置就是一件美麗的藝術品展示在學生眼前，可以讓學生感受到化學之美．

5)實驗裝置創新、全封閉、無污染，充分體現綠色化學理念，激發學生的創新意識，提升學生“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”的學科素養．

6.3 實驗藥品微量節省

紫色石蕊試液、酚酞-NaOH溶液、淀粉-KI溶液、NaBr溶液都只是各用1滴，其他試劑用量也很少，一次性完成8個實驗，共耗氯氣不到300mL，不到教材中實驗方案的氯氣總量的，原料利用率高．

6.4 實驗操作安全可控

通過控制濃鹽酸滴下的速度來控制產生氯氣的速率，便于學生觀察．從氣體制備到性質探究的實驗同時進行，操作步驟少、簡單安全，反應可控又省時間．

6.5 實驗現象明顯

該實驗使用微型實驗的藥品量，達到常規實驗的可見度，現象足夠明顯．當學生看到“花樹”逐漸變色時，都被眼前的奇觀震撼，驚嘆不已，讓學生感受到化學之妙，見圖3、圖4、圖5．

圖3

圖4

圖5

6.6 實驗效果育人深遠

本實驗教學過程的特點就是引導學生邊觀察、邊分析、邊進行邏輯推理，整合完整的知識體系，自主構建知識模型(代表作見圖6)，讓學生明白化學之理，提高“證據推理與模型認知”素養．實驗設計靈活高效、節能環保，充分發揮實驗的教育功能，踐行“立德樹人”的教育理念，對學生的成長影響是深遠的．

圖6

7 結語

本實驗以全新的思維方式設計，突出化學之美、化學之妙與化學之理．與教材的實驗設計相比較，該創新實驗有“四省一不一可見”的優點:省藥品、省時間、省能源、省儀器、不污染、可見度高．全方位培養學生化學學科核心素養，需要教師在研究教材、文獻和試驗、修改實驗方案中提高實驗功底和專業水平．