氯氣制備和性質檢驗一體化實驗的新設計

氯氣制備和性質檢驗一體化實驗的新設計作者：閻潤鴻馮高峰來源：《化學教學》2021年第11期2mol/LHC1A干燥石蕊濕潤石濕潤淀粉試紙蕊試紙KI試紙金屬Na圖1李猛設計的實驗裝置DCa(C10)2品紅溶液蒸偕水濕潤紅色紙條干燥紅色紙條酚gfc-NaOH溶液紫色石蕊試液6號膠塞我aOH濃溶液D無水CaCl2M濃鹽酸蘭鈉激光筆石棉絨KMnO4、NaBr溶液、淀粉-K1溶液〔AgNOs溶液圖2許美蓮設計的實驗裝置注射器婦n-r^T濕潤的紅NaBr溶液色紙張1K\KI溶液?、2\|酸化后的

AgN(\溶液濃硫酸干燥的紅色紙條圖3唐梓套設計的綠色化實驗裝置濃鹽酸250mL注射器濕潤的有濃鹽酸250mL注射器濕潤的有濕潤的pF濕潤的淀圖4劉江設計的一體化實驗裝置3Cl2的制備與性質檢驗實驗的一體化設計3.1實驗原理2KMnO4+16HC1：^5C12f+2MnCl2+2KC1+8H2()3.2性質檢驗氧化性。氯氣具有氧化性，可以氧化還原性物質。以鹵族單質為例，氧化性Cl?>Br2>1小故CL可以將和「氧化成B烏和漠單質呈橙紅色，碘單質遇到淀粉變藍，現(xiàn)象明顯口酸性口氯氣溶于水會和水發(fā)生可逆反應，生成HC1和HC10,紫色石蕊溶液遇酸變紅口遇水顯漂白性°干燥有色布條遇到干燥的氯氣不變色，而濕潤的有色布條則褪色明顯，兩者形成鮮明對比口與金屬反應,在加熱條件下氯氣能與不活潑金屬Cu反應，加入水后溶液呈現(xiàn)藍色。與堿溶液反應。氯氣與氫氧化鈉發(fā)生如下反應：2NaOH+Cl2^=NaCl+NaCI.O+H.O濃HC1KMn()4無水CaChK2氣球NaOll蘸有NaBr/'飽和NaCl畚液試紙/紫色石蕊溶液

濕潤的淀粉?KI試紙3\\4^Cu'、干燥有色布條濕潤有色布條圖5自行設計的一體化實驗裝置氣休發(fā)牛裝置氣休凈化裝置性質檢驗裝置尾氣吸收裝置氣體收集裝置圖6各個部分裝置圖圖7殘余尾氣吸收裝置圖摘要：使用罩排管和恒壓滴液漏斗組合，設計并自制了中學化學'氯氣的制備與性質檢驗”一體化實驗裝置。該實驗裝置能在密閉體系中控制反應進行，用作演示實驗可使氯氣性質的講解和實驗演示依次有序進行，教學效果良好。同時，該一體化實驗裝置可有效防止有毒氣體外泄，并具有良好的普適性，可用于二氧化硫等其他氣體的制備與性質檢驗的教學。關鍵詞：氯氣制備;一體化實驗裝置;氯氣性質;實驗探究文章編號：10056629（2021）11006804中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B1問題提出氯是高中化學階段無機化學中重要的非金屬元素，氯氣的制備與性質實驗是高中化學的重要實驗之一?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》中將“氯氣的制備及性質”寫入了“常見無機物及其應用”主題學習活動建議的實驗及探究活動中，要求通過實驗探究，了解氯及其重要化合物的主要性質［1］。按照人教版化學必修1（新版）中氯氣的實驗室制法，將MnO2和濃鹽酸混合加熱制取氯氣，能源消耗較大，檢測氯氣的性質實驗時還需制備氯氣，導致實驗準備時間過長，氯氣消耗量太大，造成原料浪費，不符合綠色化學思想［2］。本文將單排管和具支試管等組合起來，使氯氣制備和性質檢驗實驗一體化，并用注射器和三通閥吸收尾氣［3］，設計出一套適合課堂教學的實驗裝置。2研究現(xiàn)狀針對氯氣的制備及性質實驗在教學中存在的問題，不少學者從實驗原理、實驗裝置等方面提出了多種改進方案。大多數(shù)改進方案集中于氯氣制備和性質檢驗的一體化和微型化上。如李猛的“氯氣制備及性質實驗的一體化設計'［4］，見圖1。該裝置利用硬質玻璃管檢驗氯氣的多項性質，大大降低了實驗藥品的消耗，但是學生難免會產(chǎn)生疑惑：“先接觸到氯氣的試紙是否會對后面氯氣性質檢驗造成影響”，即不同性質的檢驗并沒有分開，科學性上不夠嚴謹;許美蓮的“氯氣制備與性質實驗一體化的創(chuàng)新設計”［5］，見圖2。該套裝置雖然將氯氣性質檢驗集合在一起，多種實驗現(xiàn)象體現(xiàn)了化學之美，但是對于剛接觸該部分內容的學生來說，同時面對氯氣的諸多性質，難免會不知所措，反而導致課堂效率降低;唐梓套的“氯氣的綠色化制備及性質的整合與創(chuàng)新實驗''［6］,見圖3。該套裝置能連續(xù)完成濕潤氯氣的氧化性、酸性和漂白性等性質的檢驗，但是裝置過于復雜，藥品也難以放至裝置中，并且沒有解決不同性質的檢驗之間的干擾問題;劉江的“氣體制備及性質驗證綜合一體化創(chuàng)新設計”［7］,見圖4。該套裝置使用大量的非常規(guī)儀器，防止了有毒氣體外泄，分開進行不同性質的檢驗，較好地完成了一體化，但卻削弱了化學學科的特質和實驗操作技能的訓練。3Cl2的制備與性質檢驗實驗的一體化設計3.1實驗原理2KMnO4+16HCl5Cl2f+2MnCl2+2KCl+8H2O3.2性質檢驗（1）氧化性。氯氣具有氧化性，可以氧化還原性物質。以鹵族單質為例，氧化性Cl2>Br2>I2,故C12可以將Br-和I-氧化成Br2和12。漠單質呈橙紅色，碘單質遇到淀粉變藍，現(xiàn)象明顯。（2）酸性。氯氣溶于水會和水發(fā)生可逆反應，生成HC1和HC1O，紫色石蕊溶液遇酸變紅。（3）遇水顯漂白性。干燥有色布條遇到干燥的氯氣不變色，而濕潤的有色布條則褪色明顯，兩者形成鮮明對比。（4）與金屬反應。在加熱條件下氯氣能與不活潑金屬Cu反應，加入水后溶液呈現(xiàn)藍色。（5）與堿溶液反應。氯氣與氫氧化鈉發(fā)生如下反應：2NaOH+C12NaC1+NaC1O+H2O3.3實驗儀器及試劑實驗儀器：單排管、10mL具支試管、恒壓滴液漏斗、干燥管、燒杯、250mL抽濾瓶、三通閥、10mL注射器、透明橡膠管、玻璃導管、酒精燈、橡膠塞、止水夾實驗試劑及用品：KMnO4、濃鹽酸、NaOH溶液、NaBr溶液、淀粉KI試紙、銅絲、蒸餾水、無水CaC12、紫色石蕊溶液、紅色布條、氣球、濾紙3.4實驗裝置一體化的實驗裝置如圖5所示（夾持裝置略）。單排管為單排管真空氣體分配器，是有機合成科研室常用的商品化的玻璃儀器，其側管的數(shù)量和尺寸有多種選擇。恒壓滴液漏斗較普通滴液漏斗多一個連通的側管，從而使?jié)恹}酸液面上的壓力與反應瓶中的壓力一致，使?jié)恹}酸始終能夠順利滴入到反應瓶中。3.5裝置設計原理整個實驗裝置如圖6所示，由氣體發(fā)生、氣體凈化、氣體收集、性質檢驗和尾氣吸收等裝置組成。（1）性質檢驗裝置中將濾紙條用不同溶液濕潤，使用透明膠帶固定到玻璃導管上。（2）氣體收集裝置和性質檢驗裝置使用橡膠管和玻璃導管連接，方便拆卸。（3）為了使氯氣能夠進入具支試管，在支管口上套一個氣球以平衡氣壓。3.6實驗步驟及現(xiàn)象（1）如圖5所示安裝好實驗儀器，4支具支試管從左到右分別標號為1、2、3、4,檢查裝置氣密性。打開K1、K2，關閉K3、K4、K5、K6。用洗耳球貼住開口并從恒壓漏斗頂部鼓入氣體，具支試管1處氣球能夠鼓起且不漏氣。同理分別檢測具支試管2、3、4處，若氣球都能鼓起且不漏氣則說明裝置氣密性良好。（2）如圖5所示裝上藥品。其中恒壓漏斗中加入12mL濃鹽酸，抽濾瓶中加入3gKMnO4固體，具支試管2中的紫色石蕊溶液需浸沒玻璃導管末端，具支試管4中放入6cm繞成螺旋狀的細銅絲，尾氣處理選擇1mol/L的NaOH溶液。（3）氧化性的檢驗。關閉所有活塞，打開K6,控制K1開關的大小使?jié)恹}酸進入抽濾瓶，待單排管中明顯能觀察到黃綠色氣體時打開K2，關閉K6，待氣球鼓至有彈性時即可關閉K2，打開K6，可觀察到具支試管1中蘸NaBr溶液的試紙變?yōu)槌赛S色、淀粉KI試紙變藍。（4）酸性的檢驗。關閉K6，打開K3，待氣球鼓至有彈性時關閉K3，打開K6。可以觀察到紫色石蕊溶液變紅。（5）漂白性的檢驗。打開K4，關閉K6，待氣球鼓至有彈性時即可關閉K4，打開K6?？捎^察到濕潤的有色布條褪色，而干燥的有色布條不褪色。（6）與金屬反應。打開K5，關閉K6。待氣球微微鼓起即可關閉K5、K1，打開K6。用止水夾夾住橡膠管，取下具支試管4,用試管夾固定并用酒精燈加熱，銅絲燃燒且放出棕黃色的煙。用10mL注射器注入5mL的蒸餾水，可以觀察到棕黃色的煙逐漸消失，溶液呈藍色。（7）尾氣吸收。打開K1、K6，關閉K2、K3、K4、K5，待少量殘余的濃鹽酸進入抽濾瓶后關閉K1。恒壓漏斗連接三通閥（如圖7所示），旋轉控制閥，使三通閥的2和3連通。在1處套上一^充滿氣的氣球，接通1和3，再打開K1，使氣球內的氣體進入裝置。重復上述操作2~3次使裝置內氣體充分被1mol/L的NaOH溶液吸收。用10mL注射器往4支具支試管中各注入2mL的1mol/LNaOH溶液吸收尾氣。4結語本文以單排管和恒壓滴液漏斗為主要儀器，設計了密閉體系中氯氣制備、性質檢驗以及尾氣處理一體化實驗裝置。新設計具有如下優(yōu)點：（1）使用單排管。單排管各個側管都具有控制開關，可以做到氯氣的收集與性質檢驗分步進行。同時，各性質的檢驗可在單獨支路中進行，使各項性質的檢驗可以依次進行，互不干擾，實現(xiàn)了氯氣性質知識的講解與相關實驗演示有序進行，克服了以往實驗裝置存在的缺陷，提高了實驗演示的教學效果。（2）使用恒壓滴液漏斗。恒壓滴液漏斗可以使反應在密閉環(huán)境下能順利調節(jié)濃鹽酸滴加速度以控制反應進行，并防止氯化氫氣體外泄。使課堂實驗演示與性質知識講解有序進行。（3）實驗裝置有良好的普適性。該裝置適用于固液兩種反應物反應進行有毒氣體的制備（如二氧化硫等）以及氣體性質的有序演示和檢驗。參考文獻：中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018:13.王晶主編.普通高中教科書?化學1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2019：41?44.霍本斌.用魯爾三通和注射器整合中學化學實驗的案例[J].化學教學，2020,（11）：72?79