氯气在饱和NaCl溶液中与在水中溶解性差异的实证探究

眭苏奇

关键词：氯气溶解度;饱和NaCl溶液;手持技术;pH传感器;色度传感器

一、问题的提出

教师在讲授如何在实验室收集氯气时，一般会讲2种收集方式：第一种向上排空气法（氯气密度比空氣大）;第二种排饱和食盐水法。根据勒夏特列原理Cl2+H2O?H++Cl-+HClO ，饱和NaCl溶液中c（Cl-）大，会抑制Cl2在水中的溶解，使Cl2难溶于饱和NaCl溶液，所以可以用排饱和食盐水法来收集Cl2。但事实果真如此吗？

笔者首先进行定性实验，分别将Cl2持续通入到饱和NaCl溶液和纯水中，一段时间过后（用pH传感器监测溶液pH变化，pH五分钟内保持不变认为Cl2在水中溶解且与水反应充分），发现两瓶溶液都为黄色，颜色相差无几（见图1，图2），之后用色度计测量（见图3）上述两瓶溶液的透光率（见表1），发现也相差不大，由此带来疑问，饱和NaCl 溶液真的能有效降低氯气在水中的溶解度吗？笔者在中国知网进行相关文献查阅，发现关于这个问题的研究比较少，在2015年《教学仪器与实验》发表的一篇名为“氯气在饱和氯化钠溶液中溶解有多大”的文章中对这个问题有所涉及[1]。此文运用传统实验仪器进行实验，同时结合理论分析，指出氯气在饱和食盐水中溶解度有所减少，但是具体程度如何？文中提到由于实验条件有限，所测量的数据也不是很精确，只能定性进行初步探究，基于此，笔者运用数字化手持技术对这个问题进行了实验探究。

二、实验设计与数据分析

1. 实验原理

根据勒夏特列原理，提高溶液中c（Cl-），平衡左移，抑制Cl2在水中的溶解，通过监测溶液中pH的变化量，探究Cl2在饱和食盐水中的溶解度。

2. 实验仪器及药品

计算机、数据采集器、pH传感器、温度传感器、色度计、磁力搅拌器、锥形瓶、分液漏斗、广口瓶、橡胶塞、导管、铁架台、烧杯等仪器。氯酸钾、浓盐酸、氯化钠、蒸馏水等药品。

3. 实验补充说明

本次制取Cl2采用KClO3+6HCl（浓）== KCl+3H2O+3Cl2↑，此反应常温下能自发进行，且反应速率较快，用分液漏斗将浓盐酸的滴加速率控制为：1滴/s，以确保浓盐酸能充分反应，取10 g KClO3和浓盐酸反应，确保氯气能平稳流畅地持续放出，产生足量Cl2。

4. 实验装置图

实验装置见图4。

5. 实验方案及步骤

实验①：

先将产生的Cl2通入100 mL饱和NaCl溶液中除去挥发出来的HCl后，再通入到40 mL饱和食盐水中，用pH传感器记录溶液pH的变化。

实验步骤：

（1）按图4所示装置组装仪器，用pH=6.86标准缓冲液校准pH传感器。

（2）检查装置的气密性，开始制取Cl2。

（3）同时打开磁力搅拌器，以便Cl2在饱和NaCl溶液中与水充分反应且快速形成Cl2的饱和溶液。

（4）待到pH值稳定（5 min内数值不变）视为达到饱和状态，停止数值采集，清洗pH传感器及其他仪器，剩余药品集中回收处理。

实验②：

先将产生的Cl2通入100 mL饱和NaCl溶液中（目的同实验①），再通入到40 mL蒸馏水中，用pH传感器

记录溶液pH的变化。

实验步骤：同实验①。

实验③：

不用饱和NaCl 溶液去除HCl，直接将制取的Cl2通入到40 mL饱和NaCl溶液中，用pH传感器记录溶液pH的变化。

实验步骤：同实验①。

6. 实验数据分析与结果讨论

三组实验数据曲线图（见图4）

由表2 分析：实验①c（H+）=2.0×10-3mol/L，实验②c（H+）=1.3×10-2mol/L，即Cl2在实验②中与水反应的物质的量也应该是实验①的6.5倍。查阅相关数据[2]：Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 平衡常数为4.2×10-4，逆反应进行程度较大，由此可以得出，在饱和NaCl溶液中由于提高了c（Cl-），平衡左移且进行程度较大，可以看出的确有抑制氯气溶解的作用，也大大减少了Cl2的损耗，可以收集到更多的Cl2。

那如何解释前文所提的疑问及矛盾呢？我们知道Cl2在水中溶解分为物理溶解（只与温度和压强有关）和化学溶解（即与水反应的程度），而实验①与实验②所处的环境基本一致，所以无论肉眼的定性观察还是运用色度计定量测量，其结果不会存在多大差异，只有通过分析Cl2化学溶解才能得出科学的结论和解释。

通过此次探究实验，我们可以看出仅靠定性观察是远远不够的，有时还会产生误导。另外即便是采用定量测量，如果没有测量合理的物理量（变量），也会产生误导。而此次的探究实验，既可以让学生在学的过程中深刻理解Cl2在水中溶解的本质和机理，也可以让教师教得更清晰准确，Cl2 难溶于饱和NaCl 溶液，不是指Cl2 在水中的物理溶解，而是Cl2 在饱和NaCl溶液中更难与水发生化学反应（即化学溶解），从而减少了Cl2损耗。

实验③的数据也能从侧面进行验证，由于实验③没有除去HCl，HCl进入到溶液后电离产生H+，进一步使平衡左移，Cl2 更难与水发生化学反应，但由于挥发出来的HCl 量毕竟少，其抑制效果肯定没有饱和NaCl溶液那么明显，这可以通过实验②和实验③pH 数值比较分析看出，两者相差很小，因此要获得纯净量多的Cl2还是要通过排饱和NaCl 溶液来获得。

同时，通过对比实验①与实验②pH数据，还可以引导学生深刻认识Cl2+H2O?H++Cl-+HClO 为可逆反应，这是高中学生第一次接触可逆反应，让学生理解可逆反应的意义，进而能够理解化学平衡移动原理就显得尤为重要[3]。在常规教学中教师主要是从宏观现象与理论的角度进行讲授，较少从微观和动态变化上让学生学习可逆反应，学生多为机械记忆，没有进行太多的思维活动[4]，难以真正理解并记住这一知识点。笔者运用手持技术测量溶液pH的变化，随着溶液c（Cl-）升高，pH也跟着上升，证明平衡向左移动，既然有平衡移动，此反应就一定为可逆反应。实验过程中学生可以把数值与微观粒子（H+）联系在一起，数值变化又是动态变化过程，这样就把可逆反应中微观的、动态的本质展现得淋漓尽致，也把抽象的难以理解和记忆的知识点“数据化、动态化、直观化”，让学生“摸得着、看得见、想得起”，从而达到加深理解和记忆的效果。

由此，教师在课堂讲“因为Cl2难溶于饱和NaCl溶液，所以可以用排饱和NaCl溶液收集Cl2”，这一结论是没有问题的，但在进行解释的时候，应该突出Cl2的化学溶解，再通过平衡理论来分析Cl2在饱和NaCl溶液中与水反应的程度大小。

三、数字化手持技术解决问题的启示

本研究对教材中难以用传统实验仪器表征的知识内容加以补充，突出了实验的基础作用[5]，通过手持技术设计实验，测量溶液的pH、透光率进行定量分析。借助数据曲线图，将“数据”指代“微观”来表征“宏观”，使“静态”转化为“动态”，客观真实地展现实验过程，揭开化学微观世界隐藏的规律。这样能够有效降低知识的难度，扫除学生的“盲点”和“误区”。

手持技术的运用使学生探究问题的范围和深度都大大拓展[6]，这对提高学生探究能力大有裨益。同时学生在实验过程中，观察现象，采集数据，基于数据和现象建立坐标图，分析解决问题，参与概念的形成。培养了学生收集证据，分析处理数据的能力，促进自身“证据推理与模型认识”“科学探究与创新意识[7]”等化学学科核心素养的发展。