工業制備鹽酸演示裝置的設計和使用

葉永謙

研究背景

鹽酸是重要工業原料，其生產原料氫氣和氯氣來自氯堿工業產品。氯堿工業作為高中化學學習化工生產的第一課，涉及較多化學工藝基本原理，對于學生了解化工生產過程具有重要作用。但實際教學中卻缺少鹽酸工業制法的演示裝置。

目前，工業鹽酸生產一般采用石墨三合一合成爐法。主要生產流程為：氫氣經緩沖罐和阻火器，通過止逆閥與經過氯氣緩沖罐的氯氣在燈頭處匯合進入合成爐燃燒，生成氯化氫氣體。氯化氫氣體在爐內被稀鹽酸吸收，生成合格濃度的鹽酸，未被吸收的氣體進入尾氣回收塔，用純水噴淋吸收，形成稀酸進入合成爐內作吸收液。為了與中學教材中介紹的氯堿工業演示實驗相銜接，本實驗擬采用電解飽和食鹽水制備氫氣和氯氣，然后在此基礎上設計氯化氫合成爐模擬裝置。將二者有機連接在一起，既可以演示氯堿工業電解飽和食鹽水的過程及產物的驗證，又可演示工業制備鹽酸的過程。

裝置設計

第1 代實驗裝置分為3 部分，一是電解部分，用于制備氫氣和氯氣;二是合成部分，用于演示氫氣和氯氣燃燒制備氯化氫，并收集吸收制備鹽酸;三是尾氣處理部分，用于處理可能過量的氫氣或氯氣，保證實驗安全環保。具體裝置示意圖如圖1，實物圖如圖2 所示。

裝置圖中，電解部分由大號U型管、石墨棒、三角漏斗、橡皮塞組成，電解生成的氫氣在U 型管左管中，氯氣在右管中，產生的氫氣、氯氣將飽和食鹽水壓入三角漏斗中，打開活塞1、3 即可分別將氫氣和氯氣導入合成爐模擬裝置（圖3）中。

氯化氫合成爐模擬裝置主要由燃燒管、杯形容器、倒扣的廣口瓶等組成。其中燃燒管分外管和內管2 部分，外管用于導入氫氣，內管用于導入氯氣，外管容積大，確保氯氣完全燃燒，減少環境污染。氫氣和氯氣在內管管口燃燒，產生的氯化氫氣體用倒扣的廣口瓶罩在杯形容器裝有的蒸餾水中，用于吸收氯化氫并防止氣體外逸。廣口瓶內壁用雙面膠粘有pH 試紙，用于檢驗氯化氫的生成。氫氣進入燃燒外管時，可能有少量溶液跟著進入，導致燃燒不順暢。為此，設計了活塞2用于排出可能積在外管的液體。

尾氣吸收裝置由2個燒杯組成，其中左側的燒杯中裝有肥皂水，用于將可能過量的氫氣通過導入形成氣泡燃燒除去;右側的燒杯中裝有氫氧化鈉溶液，用于除去可能過量的氯氣。

實驗操作

配制熱的飽和食鹽水。熱的飽和食鹽水是本實驗使用的唯一試劑，將足量氯化鈉溶解在熱水中便可得到。熱的飽和氯化鈉溶液有利于較快收集到氯氣，節約演示時間，提高課堂效率。

?注入飽和食鹽水。熱的飽和食鹽水在注入時要注意控制體積，先找到橡皮塞，塞緊時應注入溶液的液面高度并作記號。正式注入溶液時，先關閉活塞4 和5，注入熱的飽和氯化鈉溶液至事先標注的高度，再將橡皮塞分別塞緊，保證溶液既充滿U 型管，又不會排入導管中。

電解飽和食鹽水。氯化氫合成爐模擬裝置中杯形容器不裝水，管口密封的三角漏斗先不扣上。接通16 V 直流電源開始電解。電解一段時間后，U 型管左管收集到大量氫氣，右管收集到的氯氣較少，產生的氣體將溶液壓入漏斗中。

氫氣驗純。收集到大量氫氣后，在氯化氫合成爐模擬裝置燃燒外管上扣上一個干燥的試管，打開活塞1，使一定量的氫氣進入試管中。取下試管，管口朝下，靠近酒精燈火焰，有尖銳的爆鳴聲，說明所收集的氫氣不純，原因在于導管中有空氣存在。重復以上步驟，直到聽到沉悶的“噗”聲，說明合成爐模擬裝置中的氫氣已經純凈，可以安全燃燒。

燃燒氫氣和氯氣。往杯形容器中注入蒸餾水至杯口1 cm 處，打開活塞1，控制氫氣流速形成平穩氣流，點燃氫氣。由于玻璃中鈉元素焰色的干擾，火焰呈黃色。再打開活塞3，氯氣進入燃燒內管，到達內管管口瞬間出現氫氣與氧氣在外管口燃燒、氫氣與氯氣在內管口燃燒的美麗畫面。當氯氣持續與氫氣接觸后，燃燒只在內管口進行，火焰呈蒼白色。

鹽酸的生成和檢驗。在燃燒著的火焰上方罩上倒扣的廣口瓶，廣口瓶內壁粘有干燥pH 試紙。氫氣氯氣繼續燃燒，有大量白霧出現，pH 試紙變紅，與廣口瓶罩上的瞬間形成明顯對比，說明反應有氯化氫氣體生成。

處理尾氣。燃燒一段時間后，由于氫氣或者氯氣中一種氣體已經耗盡，燃燒結束，關閉活塞1和3。如果是氫氣有剩余，則打開活塞4，將氫氣排入肥皂水中形成氣泡，點燃除去;如果是氯氣有剩余，則打開活塞5，將氯氣排入氫氧化鈉溶液中吸收，防止污染空氣。

實驗改進

第1 代裝置雖能成功模擬鹽酸的工業制法，但仍存在以下不足：①整套裝置較為復雜，不方便課堂演示時的搬運和組裝;②氫氣在氯氣中燃燒時間較短，體驗不夠充分;③氫氣進入的管道經常出現在壓力作用下液體也同時進入該管道造成堵塞的現象，導致氫氣難以順暢進入，燃燒無法繼續進行;④氫氣的驗純爆鳴聲不是很劇烈，效果不夠明顯;⑤反應后多余的氫氣、氯氣處理較為繁雜，處理效果不好。

為了解決以上問題，我先后進行了5 代儀器的設計和改進，最終得到更加成熟的第6 代演示裝置，如圖4 所示。

實驗儀器的改進。在杯形容器下加裝帶有玻璃活塞的支管，解決鹽酸收集過程無法演示的問題;改進電解容器，將大號U 型管改為筒形平底三口燒瓶，解決儀器復雜問題及安全隱患問題。

實驗操作過程的改進。巧妙利用產物氫氧化鈉溶液，解決氯化氫的驗證和多余氯氣的處理問題;巧用洗潔精形成氫氣氣泡，解決氫氣的驗純和尾氣處理問題。

實驗控制條件的改進。將學生電源換為60 V 直流電源，解決電解速度慢及熱的飽和食鹽水配制時間問題;測算氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡的速率（8 秒內可均勻達到20 個氣泡時，氫氣即可順暢燃燒），解決氫氣燃燒不夠順暢的問題。

專家評語

該項目集成化程度高，物料通路設計巧妙，產物和安全措施考慮周到。相對于工業設備，具有結構簡約化、操作簡捷化、現象可視化、過程環保化的優點，集中實現了氫氯氣體制備，氯化氫合成、吸收、檢驗，氫氣驗純，尾氣處理等諸多功能，適合中學課堂中化學工藝過程的教學。