氯氣制備及性質探究實驗裝置的改進

隋 穎

（江蘇省常州市北郊高級中學 江蘇 常州 231022）

一、問題提出

氯是高中化學中重要的非金屬元素，氯氣及其化合物在生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應用。《普通高中化學課程標準（2017年版）》對于氯氣相關實驗的要求是通過實驗探究，了解氯及其化合物的重要性質。［1］氯氣是一種有毒的黃綠色氣體，按照蘇教版化學必修1中氯氣的實驗室制法，即利用二氧化錳與濃鹽酸加熱制備氯氣，需要在實驗室通風櫥中進行，需要制備的氯氣量較大，有關氯氣溶解性、氧化性、漂白性等性質探究實驗也需要消耗大量氯氣，浪費能源和原料，不符合綠色化學理念。

化學實驗是學生獲得化學知識、掌握實驗操作技能的學習方法，學生分組實驗能使學生體驗科學探究的過程，激發(fā)對化學學習的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的改變，在實踐中培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。［2］但由于氯氣、氯水的毒性，很多教師選擇播放實驗視頻或者口述的方式講解實驗，學生死記硬背，未能發(fā)揮實驗的功能。本文展示了兩組氯氣制備和性質探究的微型實驗裝置，可用于學生分組實驗，同時實現(xiàn)密閉裝置中鐵粉在氯氣中燃燒，經(jīng)過實踐均可用于課堂教學。

二、研究現(xiàn)狀

為了進一步探索氯氣制備及性質探究實驗的新方法，筆者查閱了大量期刊和文獻。大多數(shù)實驗改進裝置集中于氯氣制備及性質探究的一體化上。閻潤鴻老師［3］、李猛老師［4］、張澤志老師［5］的一體化裝置分別如圖1、圖2、圖3 所示。一體化實驗裝置把氯氣的制備和性質探究實驗濃縮于同一體系，減少了氯氣的用量，注重尾氣的處理，實驗裝置設計各有千秋。但是一體化實驗裝置所需儀器較多，操作繁瑣，特殊儀器難以獲得，裝置氣密性難以控制，可復制性和實用性有待商榷，更不可能實現(xiàn)學生分組實驗；一體化實驗裝置實現(xiàn)多個實驗同時進行，學生同時觀察記錄多個現(xiàn)象，“手忙腳亂”，迷失學習目標，不利于學生的認知發(fā)展和高階思維發(fā)展，不利于科學探究核心素養(yǎng)的發(fā)展。中學化學實驗的改進是為教學服務，而大多數(shù)實驗改進已偏離教學本身，呈現(xiàn)“難、繁、偏”特征，將簡單的問題復雜化。［6］

圖1 閻潤鴻老師設計的實驗裝置

圖2 李猛老師設計的實驗裝置

圖3 張澤志老師設計的實驗裝置

三、實驗裝置的優(yōu)化與改進

1.實驗設計目標

（1）通過微型化實驗，實現(xiàn)學生分組實驗制備氯氣、探究氯水成分。

（2）簡化氯氣在水中的溶解實驗。

（3）實現(xiàn)鐵粉在氯氣中燃燒，實驗綠色化。

2.實驗儀器及藥品

實驗儀器：西林瓶、輸液針、注射器、鐵架臺、石棉網(wǎng)、酒精燈、離心管。

實驗藥品：濃鹽酸、KMnO4固體、NaOH溶液、蒸餾水、淀粉-KI 試紙、pH 試紙、稀HNO3酸化的AgNO3溶液、鐵粉、脫脂棉、無水CaCl2固體、NaBr溶液、CCl4。

3.實驗服務教學

（1）制備氯氣的原理

2KMnO4+16HCl（濃）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2）氯氣性質檢驗

①與金屬反應：在加熱條件下氯氣能與鐵粉反應生成氯化鐵。

②氯氣檢驗：氯氣可使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{。

③酸性：氯氣與水反應生成鹽酸，可以使pH試紙變紅，與稀硝酸酸化的硝酸銀溶液反應生成氯化銀。

④氧化性：氯氣可與溴化鈉溶液反應生成溴單質，CCl4層顯黃色。

⑤漂白性：氯氣沒有漂白性，氯氣與水反應生成的次氯酸具有漂白性。

⑥與堿反應：氯氣可與氫氧化鈉溶液反應，用于氯氣尾氣處理。

四、實驗裝置圖及實驗原理

（1）鐵粉在氯氣中燃燒實驗裝置如圖4 所示。左側西林瓶中套有一裝有KMnO4固體的離心管，底部裝有少量鐵粉（注意鐵粉用量不宜過多）。右側西林瓶中裝有氫氧化鈉溶液，為尾氣處理裝置。

圖4 鐵粉在氯氣中燃燒實驗裝置

（2）學生分組實驗制備氯氣及性質檢驗裝置如圖5。通過注射器向高錳酸鉀固體中加入濃鹽酸即可制備少量氯氣，氫氧化鈉溶液為尾氣處理裝置。通過注射器向水中注入少量氯氣即可獲得氯水，如果氯水中含有氯氣分子即氯氣溶于水會使淀粉碘化鉀試紙變藍，氯水能使pH 試紙變紅說明氯氣并不是簡單的溶于水，還與水發(fā)生了化學反應生成鹽酸。氯水可使溴化鈉溶液（含四氯化碳）下層變黃，說明氯水中氯氣分子具有氧化性。

圖5 氯氣制備及性質檢驗分組實驗裝置

（3）氯水漂白性成分探究分組實驗裝置如圖6所示。左側為氯氣發(fā)生裝置，中間西林瓶上方為用脫脂棉包裹的無水氯化鈣固體，用于干燥氯氣，下方為固定在瓶壁兩側的干燥和濕潤的紅紙，右側西林瓶為尾氣處理裝置。

圖6 氯水漂白性成分探究分組實驗裝置

五、實驗操作要點及實驗現(xiàn)象

（1）如圖4所示安裝好儀器（氣密性良好），向離心管中緩慢加入濃鹽酸，注意液體不能溢出離心管，可以觀察到西林瓶中產(chǎn)生黃綠色氣體，反應一段時間后，停止滴加。通過石棉網(wǎng)加熱西林瓶，一段時間后，觀察到鐵粉開始燃燒（及時撤走酒精燈），產(chǎn)生棕黃色煙。實驗結束后向西林瓶中注入氫氧化鈉溶液吸收多余氯氣。

（2）如圖5 所示安裝好實驗儀器。用藍色注射器（1 mL）吸取0.1 mL 濃HCl（嚴格控制濃鹽酸用量以控制氯氣的量）全部注入高錳酸鉀中，拔出注射器。反應約30秒后，用另一個白色注射器（2.5 mL）抽取2 mL左右瓶內氣體，并將其慢慢打入蒸餾水中，輕微振蕩使其混合均勻。此時白色注射器無需拔出，直接吸取約1 mL 氯水，向裝有淀粉-KI 試紙的西林瓶中滴加1 滴，可觀察到試紙變藍；向裝有pH試紙的西林瓶中滴加1滴，可觀察到pH 試紙中間變白，周圍略帶紅色；同樣操作下，可觀察到稀HNO3酸化的AgNO3溶液中產(chǎn)生白色沉淀；溴化鈉溶液中（含四氯化碳）下層呈黃色。

（3）如圖6 所示安裝好儀器，滴加約0.1 mL 濃鹽酸，一段時間后可以觀察到干燥的紅色紙條幾乎無變化，濕潤的紅色紙條顏色變成黃色。關于紅色紙條的選擇：本實驗中選擇的是顏色比較深、吸水性較好的紅色宣紙，可較快觀察到褪色現(xiàn)象。pH 試紙顏色較淺，不易觀察實驗現(xiàn)象；有色布條吸水性較差，觀察到顏色變化需要較長時間。

六、實驗特點與反思

1.實驗特點

本實驗以西林瓶、注射器為主要儀器，設計了氯氣制備及性質探究的學生分組實驗，以及密閉環(huán)境中鐵粉在氯氣中的燃燒實驗。該實驗呈現(xiàn)以下特點：（1）藥品微量、現(xiàn)象明顯：原料的利用率高，學生分組實驗所用氯氣量少，現(xiàn)象明顯，體現(xiàn)了節(jié)約理念；（2）可操作性強：實驗裝置主要利用西林瓶和注射器，所用儀器種類少，器材無需組裝，操作簡單。學生分組實驗盒如圖7所示；（3）綠色環(huán)保：裝置幾乎全封閉，反口膠塞具有非常好的密閉性能，學生實驗幾乎不會有氯氣泄漏問題，實現(xiàn)了綠色環(huán)保無污染；（4）可控性強：實驗中通過控制濃鹽酸用量，保證以最少的藥品達到最佳的實驗效果，減少浪費；（5）普適性強：該裝置可用于其他有毒氣體的制備及氣體性質檢驗實驗、鹵素間置換反應實驗等。

圖7 分組實驗盒

2.實驗反思

實現(xiàn)學生親手制備氯氣、氯水，進而探究其性質是設計本實驗的初衷。課堂實踐表明學生分組實驗效果現(xiàn)象明顯，成功率高，學生無需因氯氣有毒而回避，親身體會到實驗探究的樂趣，改變當前化學實驗重結論輕過程、重理論輕體驗的現(xiàn)狀。［7］實驗改進是手段，在“綠色化、微型化、可操作性強、現(xiàn)象明顯”原則下，實驗改進的目的是發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。