氯氣制備和性質檢驗一體化實驗的新設計

閻潤鴻 馮高峰

摘要：使用單排管和恒壓滴液漏斗組合，設計并自制了中學化學“氯氣的制備與性質檢驗”一體化實驗裝置。該實驗裝置能在密閉體系中控制反應進行，用作演示實驗可使氯氣性質的講解和實驗演示依次有序進行，教學效果良好。同時，該一體化實驗裝置可有效防止有毒氣體外泄，并具有良好的普適性，可用于二氧化硫等其他氣體的制備與性質檢驗的教學。

關鍵詞：氯氣制備; 一體化實驗裝置; 氯氣性質; 實驗探究

文章編號：10056629（2021）11006804

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題提出

氯是高中化學階段無機化學中重要的非金屬元素，氯氣的制備與性質實驗是高中化學的重要實驗之一。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中將“氯氣的制備及性質”寫入了“常見無機物及其應用”主題學習活動建議的實驗及探究活動中，要求通過實驗探究，了解氯及其重要化合物的主要性質[1]。按照人教版化學必修1（新版）中氯氣的實驗室制法，將MnO2和濃鹽酸混合加熱制取氯氣，能源消耗較大，檢測氯氣的性質實驗時還需制備氯氣，導致實驗準備時間過長，氯氣消耗量太大，造成原料浪費，不符合綠色化學思想[2]。本文將單排管和具支試管等組合起來，使氯氣制備和性質檢驗實驗一體化，并用注射器和三通閥吸收尾氣[3]，設計出一套適合課堂教學的實驗裝置。

2 研究現狀

針對氯氣的制備及性質實驗在教學中存在的問題，不少學者從實驗原理、實驗裝置等方面提出了多種改進方案。大多數改進方案集中于氯氣制備和性質檢驗的一體化和微型化上。如李猛的“氯氣制備及性質實驗的一體化設計”[4]，見圖1。該裝置利用硬質玻璃管檢驗氯氣的多項性質，大大降低了實驗藥品的消耗，但是學生難免會產生疑惑：“先接觸到氯氣的試紙是否會對后面氯氣性質檢驗造成影響”，即不同性質的檢驗并沒有分開，科學性上不夠嚴謹;許美蓮的“氯氣制備與性質實驗一體化的創新設計”[5]，見圖2。該套裝置雖然將氯氣性質檢驗集合在一起，多種實驗現象體現了化學之美，但是對于剛接觸該部分內容的學生來說，同時面對氯氣的諸多性質，難免會不知所措，反而導致課堂效率降低;唐梓雲的“氯氣的綠色化制備及性質的整合與創新實驗”[6]，見圖3。該套裝置能連續完成濕潤氯氣的氧化性、酸性和漂白性等性質的檢驗，但是裝置過于復雜，藥品也難以放至裝置中，并且沒有解決不同性質的檢驗之間的干擾問題;劉江的“氣體制備及性質驗證綜合一體化創新設計”[7]，見圖4。該套裝置使用大量的非常規儀器，防止了有毒氣體外泄，分開進行不同性質的檢驗，較好地完成了一體化，但卻削弱了化學學科的特質和實驗操作技能的訓練。

3 Cl2的制備與性質檢驗實驗的一體化設計

3.1 實驗原理

2KMnO4+16HCl5Cl2↑+2MnCl2+2KCl+8H2O

3.2 性質檢驗

（1） 氧化性。氯氣具有氧化性，可以氧化還原性物質。以鹵族單質為例，氧化性Cl2>Br2>I2，故Cl2可以將Br-和I-氧化成Br2和I2。溴單質呈橙紅色，碘單質遇到淀粉變藍，現象明顯。

（2） 酸性。氯氣溶于水會和水發生可逆反應，生成HCl和HClO，紫色石蕊溶液遇酸變紅。

（3） 遇水顯漂白性。干燥有色布條遇到干燥的氯氣不變色，而濕潤的有色布條則褪色明顯，兩者形成鮮明對比。

（4） 與金屬反應。在加熱條件下氯氣能與不活潑金屬Cu反應，加入水后溶液呈現藍色。

（5） 與堿溶液反應。氯氣與氫氧化鈉發生如下反應：

2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O

3.3 實驗儀器及試劑

實驗儀器： 單排管、10mL具支試管、恒壓滴液漏斗、干燥管、燒杯、250mL抽濾瓶、三通閥、10mL注射器、透明橡膠管、玻璃導管、酒精燈、橡膠塞、止水夾

實驗試劑及用品： KMnO4、濃鹽酸、NaOH溶液、NaBr溶液、淀粉KI試紙、銅絲、蒸餾水、無水CaCl2、紫色石蕊溶液、紅色布條、氣球、濾紙

3.4 實驗裝置

一體化的實驗裝置如圖5所示（夾持裝置略）。單排管為單排管真空氣體分配器，是有機合成科研室常用的商品化的玻璃儀器，其側管的數量和尺寸有多種選擇。恒壓滴液漏斗較普通滴液漏斗多一個連通的側管，從而使濃鹽酸液面上的壓力與反應瓶中的壓力一致，使濃鹽酸始終能夠順利滴入到反應瓶中。

3.5 裝置設計原理

整個實驗裝置如圖6所示，由氣體發生、氣體凈化、氣體收集、性質檢驗和尾氣吸收等裝置組成。（1）性質檢驗裝置中將濾紙條用不同溶液濕潤，使用透明膠帶固定到玻璃導管上。（2）氣體收集裝置和性質檢驗裝置使用橡膠管和玻璃導管連接，方便拆卸。（3）為了使氯氣能夠進入具支試管，在支管口上套一個氣球以平衡氣壓。

3.6 實驗步驟及現象

（1）如圖5所示安裝好實驗儀器，4支具支試管從左到右分別標號為1、 2、 3、 4，檢查裝置氣密性。打開K1、 K2，關閉K3、 K4、 K5、 K6。用洗耳球貼住開口并從恒壓漏斗頂部鼓入氣體，具支試管1處氣球能夠鼓起且不漏氣。同理分別檢測具支試管2、 3、 4處，若氣球都能鼓起且不漏氣則說明裝置氣密性良好。

（2）如圖5所示裝上藥品。其中恒壓漏斗中加入12mL濃鹽酸，抽濾瓶中加入3g KMnO4固體，具支試管2中的紫色石蕊溶液需浸沒玻璃導管末端，具支試管4中放入6cm繞成螺旋狀的細銅絲，尾氣處理選擇1mol/L的NaOH溶液。

（3） 氧化性的檢驗。關閉所有活塞，打開K6，控制K1開關的大小使濃鹽酸進入抽濾瓶，待單排管中明顯能觀察到黃綠色氣體時打開K2，關閉K6，待氣球鼓至有彈性時即可關閉K2，打開K6，可觀察到具支試管1中蘸NaBr溶液的試紙變為橙黃色、淀粉KI試紙變藍。

（4） 酸性的檢驗。關閉K6，打開K3，待氣球鼓至有彈性時關閉K3，打開K6。可以觀察到紫色石蕊溶液變紅。

（5） 漂白性的檢驗。打開K4，關閉K6，待氣球鼓至有彈性時即可關閉K4，打開K6。可觀察到濕潤的有色布條褪色，而干燥的有色布條不褪色。

（6） 與金屬反應。打開K5，關閉K6。待氣球微微鼓起即可關閉K5、 K1，打開K6。用止水夾夾住橡膠管，取下具支試管4，用試管夾固定并用酒精燈加熱，銅絲燃燒且放出棕黃色的煙。用10mL注射器注入5mL的蒸餾水，可以觀察到棕黃色的煙逐漸消失，溶液呈藍色。

（7） 尾氣吸收。打開K1、 K6，關閉K2、 K3、 K4、 K5，待少量殘余的濃鹽酸進入抽濾瓶后關閉K1。恒壓漏斗連接三通閥（如圖7所示），旋轉控制閥，使三通閥的2和3連通。

在1處套上一個充滿氣的氣球，接通1和3，再打開K1，使氣球內的氣體進入裝置。重復上述操作2～3次使裝置內氣體充分被1mol/L的NaOH溶液吸收。用10mL注射器往4支具支試管中各注入2mL的1mol/L NaOH溶液吸收尾氣。

4 結語

本文以單排管和恒壓滴液漏斗為主要儀器，設計了密閉體系中氯氣制備、性質檢驗以及尾氣處理一體化實驗裝置。新設計具有如下優點：

（1） 使用單排管。單排管各個側管都具有控制開關，可以做到氯氣的收集與性質檢驗分步進行。同時，各性質的檢驗可在單獨支路中進行，使各項性質的檢驗可以依次進行，互不干擾，實現了氯氣性質知識的講解與相關實驗演示有序進行，克服了以往實驗裝置存在的缺陷，提高了實驗演示的教學效果。

（2） 使用恒壓滴液漏斗。恒壓滴液漏斗可以使反應在密閉環境下能順利調節濃鹽酸滴加速度以控制反應進行，并防止氯化氫氣體外泄。使課堂實驗演示與性質知識講解有序進行。

（3） 實驗裝置有良好的普適性。該裝置適用于固液兩種反應物反應進行有毒氣體的制備（如二氧化硫等）以及氣體性質的有序演示和檢驗。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018： 13.

[2]王晶主編. 普通高中教科書·化學1（必修）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 41～44.

[3]霍本斌. 用魯爾三通和注射器整合中學化學實驗的案例[J]. 化學教學， 2020， （11）： 72～79.

[4]李猛. 氯氣制備及性質實驗的一體化設計[J]. 化學教學， 2016， （8）： 60～63.

[5]許美蓮， 夏加亮. 氯氣制備與性質實驗一體化的創新設計[J]. 高中數理化， 2020， （16）： 76～78.

[6]唐梓雲， 張水強， 黃景華等. 氯氣的綠色化制備及性質的整合與創新實驗[J]. 實驗教學與儀器， 2017， 34（11）： 17～18.

[7]劉江， 洪俊華， 趙寧東等. 氣體制備及性質驗證綜合一體化創新設計[J]. 化學教學， 2021， （2）： 62～66.