實驗室低溫液化、凝固氯氣及封管的制作

任萃毅 汪潔 阮佳琦

摘要： 在高中化學制備氯氣實驗的基礎上，將適量氯氣在常溫常壓下封裝于安瓿瓶中，通過低溫冷凝、凝固再升溫，幫助學生觀察到以下四個過程：氣體變液體的液化過程，液體變氣體的氣化過程，液體變固體的凝固過程，固體變液體的熔化過程，拓展相關知識。并讓學生認識到封管實驗法可有效降低實驗過程中有害物質對環境的污染，且便于實驗重復進行以及循環展示。

關鍵詞： 氯氣； 液化； 凝固； 封管

文章編號： 10056629（2024）01006803

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

封管實驗是將化學物質密封在容器中進行的實驗。市售的封管（也稱安瓿瓶）選用軟質玻璃吹制，管一端有一段細頸。實驗物質事先放入管中后在管口細頸處加熱，待玻璃呈紅熱狀時，在火焰上用工具慢慢拉拔熔封即得到待用的封管。封管實驗所存試劑通常為數滴或幾小粒，大大節約成本，尤其減少對環境污染。同時，封管實驗往往只需一次制作就可以反復、長久使用，且操作簡單［1］。

由于封管實驗具有以上優點，故現行中學化學教材中也引入了封管實驗，如上海科學技術出版社出版的《化學（必修）》［2］第一冊第77頁“二氧化硫與品紅”的演示實驗、第88頁“氯化銨受熱分解”的演示實驗；上海科學技術出版社出版的《化學（必修）》第二冊第53頁“溫度對化學平衡影響”的演示實驗。這一類實驗都是通過改變溫度，使得體系顏色或發生改變，生成新的物質，待溫度恢復到室溫后，又重新恢復到物質起始狀態。但這類封管實驗中整個體系處于密閉狀態，溫度變化使得體系壓強變化也相對明顯，故實驗過程中不宜強熱或高溫，否則會導致玻璃管碎裂。

氯氣的性質是高中階段《化學（必修）》第一冊氯及其化合物中的重點知識。氯氣容易液化，在1.01×105Pa下-34.04℃時冷凝成液體、-101.5℃時冷凝成固體。查閱現有各類資料，大多是將制備出的氯氣暫存于試管或者燒瓶中，使用干冰冷凝得到液氯，教學演示之后氯氣不能長久保存。筆者在選擇市場上能夠購買到的材料多次實驗后，將少量氯氣在常壓下注入安瓿瓶，封口成封管后置于常溫常壓下可長期儲存，在演示氯在不同狀態的轉化過程時，隨時取用，現象直觀明了、使用安全可靠。

1 實驗原理

1.1 氯氣的生成

氣體發生采用KMnO4與濃鹽酸反應得到氯氣，避開MnO2制備氯氣需要加熱的條件。產生等量氯氣材料消耗少，轉化率高；在得到足夠量的氯氣［3］時有效減少氯化氫氣體的排放。反應的方程式如下：

2KMnO4+16HCl（濃）2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

制得的氯氣用飽和食鹽水洗脫氯化氫，再用濃硫酸除去水蒸氣得到干燥的氯氣［4］。

1.2 冷浴裝置

冷浴裝置1使用干冰乙醇混合物時（溫度約為-72℃），可以保證氯氣液化；冷浴裝置2使用液氮時（溫度約-196℃），可以保證得到固態氯。

2 實驗過程

2.1 實驗儀器和試劑

儀器：磨口抽濾瓶（250mL）、恒壓滴液漏斗（50mL）、兩只洗氣瓶（250mL）、漏斗（直徑90mm）、水槽、T型三通管、螺旋夾、乳膠管、醫用輸液管（外直徑3mm）、安瓿瓶（35mL，無色透明）、高硼硅玻璃管（壁厚1.5mm，內徑6mm）、石英管（壁厚1.5mm，內徑6mm）、耐壓防爆瓶（具有聚四氟乙烯蓋，75mL）、MAPP灌裝氣體及噴槍、保溫杯（350mL）、數據采集器（Vernier，型號LabQuest3）、熱電偶溫度傳感器（Vernier，測溫范圍200～1400℃）

試劑：高錳酸鉀（AR）、12mol·L-1鹽酸（AR）、干冰（食品級）、液氮（純度≥99%）、無水乙醇（CP）、淀粉KI試紙、10%NaOH尾氣吸收液（CP， 2～3L）

2.2 制氣裝置圖

制備與收集氯氣裝置見圖1、圖2。

2.3 實驗操作及現象

2.3.1 制備氯氣

在通風櫥中按圖1連接好裝置，檢查氣密性。

稱取7.0g KMnO4置于抽濾瓶中，向恒壓滴液漏斗中加入40.0mL濃鹽酸。吸收池內盛有10%的NaOH溶液，插入倒置漏斗，漏斗連接三通管。用螺旋夾關閉T型三通管通向吸收槽一端的管路，打開滴液漏斗滴加濃鹽酸，待反應變得連續而均勻穩定后，開始收集氯氣，收集一段時間后（時間依收集容器大小各異）開始用濕潤的淀粉KI試紙靠近容器口檢驗氯氣是否已經集滿（試紙變藍，表示已收集滿）。收集結束后，關閉通向收集氯氣的管路，打開通向吸收槽的管路吸收多余氯氣。

2.3.2 不同選材和封裝嘗試

使用不同材料的收集容器，嘗試了以下四種方法進行實驗。

2.3.2.1 高硼硅玻璃管收集

用壁厚1.5mm、內徑6mm高硼硅玻璃管，收集了高度約10cm的氯氣，立即封管。將收集的氯氣低溫液化，發現生成液氯的量不足，不利于現象的觀察。

2.3.2.2 石英管收集

石英玻璃的耐壓高于普通玻璃，因此嘗試使用一端封閉的石英管在冷浴環境下直接收集液氯，由于MAPP燃氣火焰溫度不足以融化石英材質，若使用氧炔焰熔封則脫離了中學化學實驗的客觀條件。也考慮過比較粗的有機玻璃管，但有資料說氯氣對有機玻璃有腐蝕作用，出于謹慎將該材料排除。

2.3.2.3 耐壓防爆瓶收集

使用耐壓防爆瓶進行試驗，這種管狀瓶子可以耐受3～4個大氣壓。瓶塞是聚四氟乙烯制品，無懼氯氣腐蝕。我們將它置于干冰乙醇冷浴中收集了一定量的液氯，之后在冰箱冷凍環境（-16℃）安全存放了兩周。但這種用不同質地材料非一體化密封是否經得住長期保存，且隨后相變實驗過程體系壓力高出一個大氣壓是否安全均有待驗證。另外成本價格稍高。

2.3.2.4 安瓿瓶收集

使用安瓿瓶收集進行試驗，在常壓下直接封口，這樣可得到足夠的氯氣，而且可以用來演示液化、固化和氣化過程。先進行理論預估：按室溫18℃、 101.325kPa、安瓿瓶體積35.0mL，用理想氣體方程pV=nRT計算后得知大約可得到n=0.001465mol，即0.1040g氯氣。經查閱化學數據手冊，知液氯密度為1.5625g·cm-3，冷凝后體積約0.07mL，這大概是50.00mL酸堿滴定管2～3滴左右的量。

2.3.3 封管制作

集滿氯氣后用噴槍火焰迅速密封安瓿瓶口，等熔封處冷卻至室溫后將安瓿瓶倒置，再次用濕潤淀粉KI試紙靠近封口，查看是否熔封嚴密。

2.3.4 低溫液化

取少量干冰置于保溫杯中，緩慢倒入無水乙醇，由于溫度劇變，生成大量二氧化碳氣體，混合物呈“沸騰”狀態，使乙醇蓋過干冰3cm左右高度即可。將封有氯氣的安瓿瓶置于其中冷浴，經熱電偶實測冷浴體系溫度為-67.3℃。封管中的黃綠色氣體逐漸消退，管底凝結出非常明顯的金黃色油狀液體。從保溫瓶取出后伴隨溫度升高，可以看到液氯不斷氣化減少、黃綠色氣體漸濃。

同樣的方法，取少量液氮置于保溫杯中，待杯中溫度穩定后，熱電偶實測冷浴體系為-140.5℃，將封管置于其中冷浴。封管中的黃綠色氣體逐漸消退，瓶底出現非常明顯的淡黃綠色固體。從保溫瓶取出后伴隨溫度升高，可以看到固態氯先轉變為金黃色油狀液氯，再轉化為黃綠色氣態氯。

3 實驗結論

實驗過程中務必保持良好的通風環境和安全措施，建議在室溫20℃以下進行實驗。在比較過幾種收集裝置后，最終選用安瓿瓶收集足夠量的氯氣，它不僅可在常溫常壓下長期保存、隨用隨取，同時也能更好地降低氯氣對環境的污染。

在溫度的變化中實現氯分子狀態的轉化過程，氣態變液態是液化過程，液態變氣態是汽化過程，液化與

氣化過程是互為逆過程；液態變固態是凝固過程，固態變液態是熔化過程，凝固與熔化也是互為逆過程。在物質狀態的轉化過程中，其化學鍵并未發生斷裂，沒有新的物質生成，都是物理變化；且它們只是改變分子之間的間隙，發生了分子間勢能和動能的轉化，故在不同的狀態轉化時也就表現出了吸熱或放熱；不同物質狀態氯分子也發生了顏色的變化，這些變化也與其氯分子本身的結構有一定的相關性，固態氯的顏色明顯比液態氯的顏色淺，這與文獻［5］上所說的“鹵素的顏色是電子由最高占有反鍵結πg分子軌域躍遷至最低反鍵結σu分子軌域時所形成，其色澤會隨溫度降低而變淺，在-196℃時固態氯幾近無色的”是貼近的。

該方法也存在以下問題：氯氣在由氣態到液態的轉化過程中，由于分子間距的減小，導致體積也急劇變化。由于封管實驗本身收集氯氣的量相對較小，如操作不慎，最終得到液氯的量會更少，導致相變實驗觀察難度增加。可考慮在收集的過程中直接在冷浴的條件下收集，將氣體直接在常壓下冷卻液化，這樣就可以收集到較多的液氯，便于實驗現象的觀察。但要注意容器的耐壓性，確保氯氣完全氣化后容器不會爆裂。事先要在理論上計算好氣化后的溫度、壓力以及容器的耐壓性、后期實驗防爆安全等事宜。

參考文獻：

［1］李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進［J］. 化學教學， 2014，（5）： 57～59.

［2］麻生明， 陳寅主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 上海： 上海科學技術出版社， 2021： 83.

［3］閻潤鴻， 馮高峰. 氯氣制備和性質檢驗一體化實驗的新設計［J］. 化學教學， 2014，（5）： 68～70.

［4］胡先錦. 基于“問題解決”的高中化學教學設計與實踐——以“氯氣的性質”一課為例［J］. 化學教學， 2014，（5）： 31～33.

［5］陳曉峰， 趙永慧. 鹵素顏色成因淺析［J］. 大學化學， 2007， 22（5）： 48～53.