氯气制备及性质探究实验装置的改进

隋 颖

（江苏省常州市北郊高级中学 江苏 常州 231022）

一、问题提出

氯是高中化学中重要的非金属元素，氯气及其化合物在生产和生活中具有广泛的应用。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对于氯气相关实验的要求是通过实验探究，了解氯及其化合物的重要性质。［1］氯气是一种有毒的黄绿色气体，按照苏教版化学必修1中氯气的实验室制法，即利用二氧化锰与浓盐酸加热制备氯气，需要在实验室通风橱中进行，需要制备的氯气量较大，有关氯气溶解性、氧化性、漂白性等性质探究实验也需要消耗大量氯气，浪费能源和原料，不符合绿色化学理念。

化学实验是学生获得化学知识、掌握实验操作技能的学习方法，学生分组实验能使学生体验科学探究的过程，激发对化学学习的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的改变，在实践中培养学生的实践能力和创新精神。［2］但由于氯气、氯水的毒性，很多教师选择播放实验视频或者口述的方式讲解实验，学生死记硬背，未能发挥实验的功能。本文展示了两组氯气制备和性质探究的微型实验装置，可用于学生分组实验，同时实现密闭装置中铁粉在氯气中燃烧，经过实践均可用于课堂教学。

二、研究现状

为了进一步探索氯气制备及性质探究实验的新方法，笔者查阅了大量期刊和文献。大多数实验改进装置集中于氯气制备及性质探究的一体化上。阎润鸿老师［3］、李猛老师［4］、张泽志老师［5］的一体化装置分别如图1、图2、图3 所示。一体化实验装置把氯气的制备和性质探究实验浓缩于同一体系，减少了氯气的用量，注重尾气的处理，实验装置设计各有千秋。但是一体化实验装置所需仪器较多，操作繁琐，特殊仪器难以获得，装置气密性难以控制，可复制性和实用性有待商榷，更不可能实现学生分组实验；一体化实验装置实现多个实验同时进行，学生同时观察记录多个现象，“手忙脚乱”，迷失学习目标，不利于学生的认知发展和高阶思维发展，不利于科学探究核心素养的发展。中学化学实验的改进是为教学服务，而大多数实验改进已偏离教学本身，呈现“难、繁、偏”特征，将简单的问题复杂化。［6］

图1 阎润鸿老师设计的实验装置

图2 李猛老师设计的实验装置

图3 张泽志老师设计的实验装置

三、实验装置的优化与改进

1.实验设计目标

（1）通过微型化实验，实现学生分组实验制备氯气、探究氯水成分。

（2）简化氯气在水中的溶解实验。

（3）实现铁粉在氯气中燃烧，实验绿色化。

2.实验仪器及药品

实验仪器：西林瓶、输液针、注射器、铁架台、石棉网、酒精灯、离心管。

实验药品：浓盐酸、KMnO4固体、NaOH溶液、蒸馏水、淀粉-KI 试纸、pH 试纸、稀HNO3酸化的AgNO3溶液、铁粉、脱脂棉、无水CaCl2固体、NaBr溶液、CCl4。

3.实验服务教学

（1）制备氯气的原理

2KMnO4+16HCl（浓）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2）氯气性质检验

①与金属反应：在加热条件下氯气能与铁粉反应生成氯化铁。

②氯气检验：氯气可使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。

③酸性：氯气与水反应生成盐酸，可以使pH试纸变红，与稀硝酸酸化的硝酸银溶液反应生成氯化银。

④氧化性：氯气可与溴化钠溶液反应生成溴单质，CCl4层显黄色。

⑤漂白性：氯气没有漂白性，氯气与水反应生成的次氯酸具有漂白性。

⑥与碱反应：氯气可与氢氧化钠溶液反应，用于氯气尾气处理。

四、实验装置图及实验原理

（1）铁粉在氯气中燃烧实验装置如图4 所示。左侧西林瓶中套有一装有KMnO4固体的离心管，底部装有少量铁粉（注意铁粉用量不宜过多）。右侧西林瓶中装有氢氧化钠溶液，为尾气处理装置。

图4 铁粉在氯气中燃烧实验装置

（2）学生分组实验制备氯气及性质检验装置如图5。通过注射器向高锰酸钾固体中加入浓盐酸即可制备少量氯气，氢氧化钠溶液为尾气处理装置。通过注射器向水中注入少量氯气即可获得氯水，如果氯水中含有氯气分子即氯气溶于水会使淀粉碘化钾试纸变蓝，氯水能使pH 试纸变红说明氯气并不是简单的溶于水，还与水发生了化学反应生成盐酸。氯水可使溴化钠溶液（含四氯化碳）下层变黄，说明氯水中氯气分子具有氧化性。

图5 氯气制备及性质检验分组实验装置

（3）氯水漂白性成分探究分组实验装置如图6所示。左侧为氯气发生装置，中间西林瓶上方为用脱脂棉包裹的无水氯化钙固体，用于干燥氯气，下方为固定在瓶壁两侧的干燥和湿润的红纸，右侧西林瓶为尾气处理装置。

图6 氯水漂白性成分探究分组实验装置

五、实验操作要点及实验现象

（1）如图4所示安装好仪器（气密性良好），向离心管中缓慢加入浓盐酸，注意液体不能溢出离心管，可以观察到西林瓶中产生黄绿色气体，反应一段时间后，停止滴加。通过石棉网加热西林瓶，一段时间后，观察到铁粉开始燃烧（及时撤走酒精灯），产生棕黄色烟。实验结束后向西林瓶中注入氢氧化钠溶液吸收多余氯气。

（2）如图5 所示安装好实验仪器。用蓝色注射器（1 mL）吸取0.1 mL 浓HCl（严格控制浓盐酸用量以控制氯气的量）全部注入高锰酸钾中，拔出注射器。反应约30秒后，用另一个白色注射器（2.5 mL）抽取2 mL左右瓶内气体，并将其慢慢打入蒸馏水中，轻微振荡使其混合均匀。此时白色注射器无需拔出，直接吸取约1 mL 氯水，向装有淀粉-KI 试纸的西林瓶中滴加1 滴，可观察到试纸变蓝；向装有pH试纸的西林瓶中滴加1滴，可观察到pH 试纸中间变白，周围略带红色；同样操作下，可观察到稀HNO3酸化的AgNO3溶液中产生白色沉淀；溴化钠溶液中（含四氯化碳）下层呈黄色。

（3）如图6 所示安装好仪器，滴加约0.1 mL 浓盐酸，一段时间后可以观察到干燥的红色纸条几乎无变化，湿润的红色纸条颜色变成黄色。关于红色纸条的选择：本实验中选择的是颜色比较深、吸水性较好的红色宣纸，可较快观察到褪色现象。pH 试纸颜色较浅，不易观察实验现象；有色布条吸水性较差，观察到颜色变化需要较长时间。

六、实验特点与反思

1.实验特点

本实验以西林瓶、注射器为主要仪器，设计了氯气制备及性质探究的学生分组实验，以及密闭环境中铁粉在氯气中的燃烧实验。该实验呈现以下特点：（1）药品微量、现象明显：原料的利用率高，学生分组实验所用氯气量少，现象明显，体现了节约理念；（2）可操作性强：实验装置主要利用西林瓶和注射器，所用仪器种类少，器材无需组装，操作简单。学生分组实验盒如图7所示；（3）绿色环保：装置几乎全封闭，反口胶塞具有非常好的密闭性能，学生实验几乎不会有氯气泄漏问题，实现了绿色环保无污染；（4）可控性强：实验中通过控制浓盐酸用量，保证以最少的药品达到最佳的实验效果，减少浪费；（5）普适性强：该装置可用于其他有毒气体的制备及气体性质检验实验、卤素间置换反应实验等。

图7 分组实验盒

2.实验反思

实现学生亲手制备氯气、氯水，进而探究其性质是设计本实验的初衷。课堂实践表明学生分组实验效果现象明显，成功率高，学生无需因氯气有毒而回避，亲身体会到实验探究的乐趣，改变当前化学实验重结论轻过程、重理论轻体验的现状。［7］实验改进是手段，在“绿色化、微型化、可操作性强、现象明显”原则下，实验改进的目的是发展学生“科学探究与创新意识”的核心素养。