氯气的制备与性质实验的一体化新设计

赵 芳 秦勇军 许 楠 杨春艳

西华师范大学化学化工学院(637000)

1 问题的提出

氯气作为卤素的代表,在高中化学中占有重要地位,其制备与性质检验实验也是高中化学重要的实验之一。教材中氯气的实验室制法是二氧化锰与浓盐酸混合加热制取氯气,将氯气的制备与性质实验分开进行,容易导致实验过程药品消耗大,过程繁琐,装置内有氯气的残留,在拆卸时容易造成泄露,危害师生健康,因此教师在教学过程中更倾向于通过多媒体的方式演示该实验,难以达到《普通高中化学课程标准(2017年版)》对该部分内容的要求:“通过实验探究,了解氯及其重要化合物的主要性质,认识其在生产中的应用和对生态环境的影响”[1]。

2 研究现状

笔者通过查阅大量资料发现,许多学者对于氯气的制备及性质检验实验有较多改进,主要集中在装置的一体化和微型化上。如阎润鸿[2]虽然实现了氯气的制取、检验和尾气处理一体化,但是将不同性质的检验实验分开,实验操作复杂,药品消耗增加,反应容器中还存在残留的氯气,容易在拆除装置时逸散到空气中,从而污染环境。 李猛[3]采用Y形试管与长颈漏斗相结合制取氯气,并对其连续进行漂白性、酸性、氧化性、与金属反应等性质的检验,而金属钠化学性质活泼,在制取氯气和检验氯气性质时,金属钠还未与氯气反应就容易被球形干燥器中的空气氧化,不够严谨,同时也存在反应装置中残留的氯气在拆除装置时逸散到空气中污染环境的问题。郭巧云[4]将反应物二氧化锰换成氯酸钾,使得制备氯气的反应速度加快,现象明显,但是把氯气与铜的反应放在第一步检验,可能会导致学生正在观察氯气与铜的反应时,来不及观察或不能完全观察到淀粉碘化钾试纸和湿润月季花瓣的颜色变化,从而达不到教学目的。王秀艳[5]使用矿泉水瓶组成氯气的制备和检验装置,材料廉价易得,现象明显,但对于药品的消耗较大,没有尾气处理装置,实验过程中容易造成氯气泄漏,污染环境。在以上改进实验的基础上,笔者利用洁厕灵和84消毒液的反应制取氯气,将口服液玻璃瓶、矿泉水瓶制作的钟罩、培养皿、注射器等组合起来设计了操作简单、现象明显的改进实验装置,并且该实验装置能够有效吸收实验结束后剩余的氯气,具有材料廉价易得、药品用量小,安全性高、富有趣味性的特点。

3 实验创新

3.1 实验原理

采用84消毒液(NaClO)和洁厕灵(HCl)反应制备Cl2:NaClO + HCl = NaCl + Cl2↑ + H2O。

3.2 性质检验

(1)氧化性:Cl2具有氧化性,可以将I-氧化成I2。

Cl2+ KI = 2KCl + I2

(2)酸性:Cl2溶于水发生可逆反应生成HClO和HCl,紫色石蕊溶液遇酸变红。

Cl2+ H2O=HCl + HClO

(3)漂白性:干燥的红色纸条遇到氯气无明显变化,而湿润的红色纸条遇到氯气褪色,Cl2与H2O反应生成的HClO具有漂白性。

(4)与碱溶液反应。

Cl2+ 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O

3.3 实验仪器及用品、试剂

实验仪器及用品:烧杯、玻璃棒、2支10 mL注射器、培养皿、胶头滴管、口服液玻璃瓶、矿泉水瓶、滤纸、双面胶、剪刀、珍珠棉、红色纸条。

实验试剂: 洁厕灵、84消毒液、饱和NaOH溶液、淀粉-KI试纸、紫色石蕊溶液、蒸馏水。

3.4 洁厕灵和84消毒液反应实验

3.4.1 实验装置

实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

3.4.2 实验步骤

(1)取1个口服液玻璃瓶将其放在培养皿中央。

(2)将矿泉水瓶剪掉一半保留上半部分,分别将湿润的淀粉-KI试纸、紫色石蕊溶液滤纸条、干燥的红色纸条、湿润的红色纸条用双面胶粘在矿泉水瓶内部,将其做成玻璃瓶的钟罩。

(3)用珍珠棉封住矿泉水瓶的瓶口,将饱和NaOH溶液倒入培养皿中使钟罩内部形成密闭环境。

(4)分别将装有洁厕灵和84消毒液的注射器通过瓶口的珍珠棉插入矿泉水瓶并固定,检查装置的气密性。

(5)把注射器中的洁厕灵和84消毒液各注入1 mL到口服液玻璃瓶中,反应立即发生。

(6)反应结束,待剩余的氯气被吸收完毕,将反应后的溶液倒入指定位置。

3.4.3 实验现象

(1)反应开始,可以观察到玻璃瓶内有明显的气泡产生以及黄绿色气体生成。反应片刻可以观察到湿润的淀粉-KI试纸变蓝,说明氯气具有氧化性。

(3)紫色石蕊溶液滤纸条变红,氯气与水反应生成了盐酸和次氯酸。

(4)湿润的红色纸条褪色,干燥的红色纸条无明显变化,反应一段时间后,观察到变蓝的湿润的淀粉-KI试纸和变红的紫色石蕊溶液滤纸条颜色褪去,说明反应生成的HClO具有漂白性。

(5)黄绿色气体颜色变淡,说明培养皿中的饱和NaOH溶液可以吸收反应生产的Cl2。

3.5 实验说明

(1)实验制作钟罩的矿泉水瓶以及作为反应容器的玻璃瓶都需要无色透明,以便更好地观察实验现象。

(2)NaOH溶液尽量配置或饱和溶液,使其能够更好地吸收实验结束后装置中剩余的氯气。

(3)倒入培养皿中的饱和NaOH溶液要高于钟罩的底部,低于培养皿的边缘,可以利用液封使钟罩内形成密闭环境,在实验中更好地避免了氯气泄漏污染环境,具有较高的安全性。

4 实验总结

(1)本实验最大的创新点在于装置使用的仪器用品大多来源于生活,廉价易得,药品用量小,实验装置简单,操作性强,现象明显,安全性高,富有趣味性;使用注射器可以灵活地控制反应的发生和停止,同时反应的发生、检验和尾气处理都在密闭的环境中进行,绿色环保,符合绿色化学的理念。

(2)该改进实验装置不仅有利于教师在课堂上进行演示实验,学生也可以在教师的指导下进行小组实验。该实验不仅可以让学生学习到关于氯气的知识,还有利于学生将化学知识和实际生活相联系,了解到在日常生活中洁厕灵和84消毒液不能混用,培养学生的化学学科核心素养。