工业制备盐酸演示装置的设计和使用

叶永谦

研究背景

盐酸是重要工业原料，其生产原料氢气和氯气来自氯碱工业产品。氯碱工业作为高中化学学习化工生产的第一课，涉及较多化学工艺基本原理，对于学生了解化工生产过程具有重要作用。但实际教学中却缺少盐酸工业制法的演示装置。

目前，工业盐酸生产一般采用石墨三合一合成炉法。主要生产流程为：氢气经缓冲罐和阻火器，通过止逆阀与经过氯气缓冲罐的氯气在灯头处汇合进入合成炉燃烧，生成氯化氢气体。氯化氢气体在炉内被稀盐酸吸收，生成合格浓度的盐酸，未被吸收的气体进入尾气回收塔，用纯水喷淋吸收，形成稀酸进入合成炉内作吸收液。为了与中学教材中介绍的氯碱工业演示实验相衔接，本实验拟采用电解饱和食盐水制备氢气和氯气，然后在此基础上设计氯化氢合成炉模拟装置。将二者有机连接在一起，既可以演示氯碱工业电解饱和食盐水的过程及产物的验证，又可演示工业制备盐酸的过程。

装置设计

第1 代实验装置分为3 部分，一是电解部分，用于制备氢气和氯气;二是合成部分，用于演示氢气和氯气燃烧制备氯化氢，并收集吸收制备盐酸;三是尾气处理部分，用于处理可能过量的氢气或氯气，保证实验安全环保。具体装置示意图如图1，实物图如图2 所示。

装置图中，电解部分由大号U型管、石墨棒、三角漏斗、橡皮塞组成，电解生成的氢氣在U 型管左管中，氯气在右管中，产生的氢气、氯气将饱和食盐水压入三角漏斗中，打开活塞1、3 即可分别将氢气和氯气导入合成炉模拟装置（图3）中。

氯化氢合成炉模拟装置主要由燃烧管、杯形容器、倒扣的广口瓶等组成。其中燃烧管分外管和内管2 部分，外管用于导入氢气，内管用于导入氯气，外管容积大，确保氯气完全燃烧，减少环境污染。氢气和氯气在内管管口燃烧，产生的氯化氢气体用倒扣的广口瓶罩在杯形容器装有的蒸馏水中，用于吸收氯化氢并防止气体外逸。广口瓶内壁用双面胶粘有pH 试纸，用于检验氯化氢的生成。氢气进入燃烧外管时，可能有少量溶液跟着进入，导致燃烧不顺畅。为此，设计了活塞2用于排出可能积在外管的液体。

尾气吸收装置由2个烧杯组成，其中左侧的烧杯中装有肥皂水，用于将可能过量的氢气通过导入形成气泡燃烧除去;右侧的烧杯中装有氢氧化钠溶液，用于除去可能过量的氯气。

实验操作

配制热的饱和食盐水。热的饱和食盐水是本实验使用的唯一试剂，将足量氯化钠溶解在热水中便可得到。热的饱和氯化钠溶液有利于较快收集到氯气，节约演示时间，提高课堂效率。

?注入饱和食盐水。热的饱和食盐水在注入时要注意控制体积，先找到橡皮塞，塞紧时应注入溶液的液面高度并作记号。正式注入溶液时，先关闭活塞4 和5，注入热的饱和氯化钠溶液至事先标注的高度，再将橡皮塞分别塞紧，保证溶液既充满U 型管，又不会排入导管中。

电解饱和食盐水。氯化氢合成炉模拟装置中杯形容器不装水，管口密封的三角漏斗先不扣上。接通16 V 直流电源开始电解。电解一段时间后，U 型管左管收集到大量氢气，右管收集到的氯气较少，产生的气体将溶液压入漏斗中。

氢气验纯。收集到大量氢气后，在氯化氢合成炉模拟装置燃烧外管上扣上一个干燥的试管，打开活塞1，使一定量的氢气进入试管中。取下试管，管口朝下，靠近酒精灯火焰，有尖锐的爆鸣声，说明所收集的氢气不纯，原因在于导管中有空气存在。重复以上步骤，直到听到沉闷的“噗”声，说明合成炉模拟装置中的氢气已经纯净，可以安全燃烧。

燃烧氢气和氯气。往杯形容器中注入蒸馏水至杯口1 cm 处，打开活塞1，控制氢气流速形成平稳气流，点燃氢气。由于玻璃中钠元素焰色的干扰，火焰呈黄色。再打开活塞3，氯气进入燃烧内管，到达内管管口瞬间出现氢气与氧气在外管口燃烧、氢气与氯气在内管口燃烧的美丽画面。当氯气持续与氢气接触后，燃烧只在内管口进行，火焰呈苍白色。

盐酸的生成和检验。在燃烧着的火焰上方罩上倒扣的广口瓶，广口瓶内壁粘有干燥pH 试纸。氢气氯气继续燃烧，有大量白雾出现，pH 试纸变红，与广口瓶罩上的瞬间形成明显对比，说明反应有氯化氢气体生成。

处理尾气。燃烧一段时间后，由于氢气或者氯气中一种气体已经耗尽，燃烧结束，关闭活塞1和3。如果是氢气有剩余，则打开活塞4，将氢气排入肥皂水中形成气泡，点燃除去;如果是氯气有剩余，则打开活塞5，将氯气排入氢氧化钠溶液中吸收，防止污染空气。

实验改进

第1 代装置虽能成功模拟盐酸的工业制法，但仍存在以下不足：①整套装置较为复杂，不方便课堂演示时的搬运和组装;②氢气在氯气中燃烧时间较短，体验不够充分;③氢气进入的管道经常出现在压力作用下液体也同时进入该管道造成堵塞的现象，导致氢气难以顺畅进入，燃烧无法继续进行;④氢气的验纯爆鸣声不是很剧烈，效果不够明显;⑤反应后多余的氢气、氯气处理较为繁杂，处理效果不好。

为了解决以上问题，我先后进行了5 代仪器的设计和改进，最终得到更加成熟的第6 代演示装置，如图4 所示。

实验仪器的改进。在杯形容器下加装带有玻璃活塞的支管，解决盐酸收集过程无法演示的问题;改进电解容器，将大号U 型管改为筒形平底三口烧瓶，解决仪器复杂问题及安全隐患问题。

实验操作过程的改进。巧妙利用产物氢氧化钠溶液，解决氯化氢的验证和多余氯气的处理问题;巧用洗洁精形成氢气气泡，解决氢气的验纯和尾气处理问题。

实验控制条件的改进。将学生电源换为60 V 直流电源，解决电解速度慢及热的饱和食盐水配制时间问题;测算氢气从小广口瓶中冒出气泡的速率（8 秒内可均匀达到20 个气泡时，氢气即可顺畅燃烧），解决氢气燃烧不够顺畅的问题。

专家评语

该项目集成化程度高，物料通路设计巧妙，产物和安全措施考虑周到。相对于工业设备，具有结构简约化、操作简捷化、现象可视化、过程环保化的优点，集中实现了氢氯气体制备，氯化氢合成、吸收、检验，氢气验纯，尾气处理等诸多功能，适合中学课堂中化学工艺过程的教学。