氯气制备及性质实验装置的组合化与微型化设计

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摘要：通过分析现行上科版高一化学教材中关于氯气制备及系列性质实验的某些不足，设计出一种快速制备氯气并考查氯气性质系列实验的组合化、微型化装置，解决了教材实验中氯气用量较大、易泄露、操作不简便、实验教学耗时较多的问题，改进后的实验装置体现出微型、简便、高效、绿色的科学理念，有利于开展学生实验。

关键词：氯气制备与性质实验；实验装置改进；组合化与微型化设计

文章编号： 1005–6629(2012)5–0050–03 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

现行上科版高一化学教材[1]中研究氯气的系列性质实验时，关于氯气与湿润的有色布条、与细铜丝的反应，采用的方法是用集气瓶收集满氯气，然后将红热的铜丝、湿润的有色布条分别伸入集气瓶中。虽实验现象明显，但此种实验演示方法的最大弊端是：氯气易泄露、污染空气、不利于师生的身心健康，还会在一定程度上引起学生对有毒气体实验的畏惧和恐慌；关于氯气与水、与氢氧化钠溶液的反应则采用的是用注射器吸取适量氯气，然后分别将氯气注入到盛有水和氢氧化钠溶液的注射器中，此种方法操作烦琐、容易扎破手指；关于与溴化钠溶液、与碘化钠溶液、与氯化亚铁溶液、与硫化钠溶液的反应、与紫色石蕊的反应，采用的是用氯气分别直接通入到盛有相应试剂的试管里，该方法操作不简便、比较耗时且氯气用量也较多。尽管已有老师[2]就铜与氯气的反应作了较大的改进，解决了实验中氯气泄露的问题；也有老师[3]就氯气与溴化钠溶液、碘化钠溶液的反应做了改进，解决了卤素单质氧化性强弱比较的探究性问题。然而这些关于氯气制备及性质系列实验的改进一般只局限于某一个反应，尚未有人对氯气制备及性质系列实验装置做整体性的组合化与微型化设计，氯气耗量较大、实验操作还不够简便、氯气易逸散到空气中等问题也未完全解决，课堂实验耗时较长。鉴于此，设计高效、简洁、环保、易操作且现象明显的实验装置显然是很有意义的。

2 氯气制备及性质实验装置的组合化与微型化设计

2.1 实验器材及药品

实验器材：25 mL具支试管、10 mL具支试管、2 mL样品管、10 mL样品管、5 mL注射器、酒精灯、橡皮塞、长导管、橡皮管、封口膜一小片湿润的红色布条、铜片。

实验药品：KClO3、浓盐酸、CCl4、Na2S、NaI、NaBr、FeCl2

配制溶液：浓度均为0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液和FeCl2溶液；紫色石蕊试液；质量分数为0.30的NaOH溶液。

2.2 实验装置

组合化、微型化的实验装置如图1所示（夹持仪器略）：

2.2.1 整套装置采用设计原理

通过用铜丝固定住一系列小样品管（微型反应容器），穿过橡皮塞悬空于大具支试管内，产生的氯气相继与小样品管里的物质作用，既能减少药品的使用量、又大大节约实验时间、还助于学生近距离观察实验现象并且操作也简单安全。整个实验装置由三部分构成：制气部分：①号大具支试管中由KClO3与浓盐酸反应制备氯气；系列性质实验部分：编号②~⑧的小样品管及⑨号小具支试管，其中②中可比较氯气与单质硫氧化性大小、③中可比较氯气与单质碘氧化性大小及加深对萃取原理的理解、④中可比较氯气与单质溴的氧化性大小及加深对萃取原理的理解、⑤中可比较氯气与 Fe3+氧化性大小、⑥中可获得氯气可以使紫色石蕊先变红色后褪色的感性认识、⑦中考查氯气的溶解性、⑧中考查氯气的漂白性、⑨中考查氯气与铜的反应；尾气处理部分：⑩大样品管中的氢氧化钠溶液用以吸收多余的氯气。

2.2.2 装置搭建步骤

（1）取25 mL具支试管一只，加入0.35 g KClO3（约0.003 mol）固体于底部。

（2）再取2 mL样品管7只，用具有一定硬度，直径为0.5 mm的铜丝（说明：市售的铜丝表面有一层保护漆，可保护铜丝在通常情况下不被腐蚀）等距离系牢样品管，向小样品管中（②~⑧）依次从下往上添加体积均为1 mL，浓度均为 0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液、FeCl2溶液以及1 mL蒸馏水、1 mL紫色石蕊试液和一小片湿润的红色布条，并再向盛装NaI溶液、NaBr溶液的样品管中再各加入0.5 mL的CCl4，然后将样品管依次小心放入具支试管中，塞紧橡皮塞并用封口膜密封，铜丝末端穿过橡皮塞约2 cm。

（3）大具支试管支管处用橡皮管连接一长导管，另取一只10 mL具支试管，内放一片铜片，然后将长导管穿过橡皮塞伸入到距离小具支试管底部约0.5 cm处，塞紧橡皮塞，将具支试管均固定在铁架上，再用橡皮管在小具支试管支管处连接长导管，长导管一端伸入盛有ω=0.30的NaOH溶液的样品管里，各接口处用封口膜做密封处理。

3 实验步骤及现象

3.1 实验步骤

教师课前先按图1所示搭建实验装置，添加小样品管中的各试剂以及⑨、⑩中的药品，并用封口膜对整个装置做密封处理后固定于铁架台上。上课时再将整套装置小心发给学生。学生按照如下步骤实验：

（1）点燃酒精灯，对装有铜片的具支试管加热1~2分钟，对铜片进行预热。

（2）另取5 mL注射器一只，吸取2 mL（约0.021 mol）市售浓盐酸，迅速沿试管壁注入到大具支试管中，浓盐酸与氯酸钾一接触便立即产生氯气，并上升充满样品管，同时与各小样品管里的溶液相继发生反应，然后氯气经长导管通入小具支试管与已预热的铜片发生反应，多余的氯气被NaOH 溶液吸收。

3.2 实验现象

（1）用注射器沿大具支试管的试管壁注入浓盐酸后，立即可观察到有黄绿色气体产生（氯酸钾与浓盐酸发生氧化还原反应产生氯气、氯化钾和水）。

（2）接触并吸收氯气后，各小样品管样品自下而上发生的现象依次为：②中有淡黄色沉淀（氯气与硫化钠反应生成氯化钠和硫单质）；③中开始时上层溶液呈黄色（氯气与碘化钠反应生成碘单质和氯化钠）、下层无色逐渐变化为上层几乎无色下层为紫色（四氯化碳萃取单质碘的结果）；④中开始上层溶液呈淡黄色（氯气与溴化钠反应生成溴单质和氯化钠）、下层无色逐渐变化为上层无色下层为橙色（四氯化碳萃取单质溴的结果）；⑤中溶液由浅绿色（很浅，需仔细观察）变黄（氯气与氯化亚铁溶液反应生成氯化铁）；⑥中溶液在数秒内变红（氯气与水反应有盐酸生成），再逐渐变为无色（氯气与水反应生成的次氯酸起漂白作用）；⑦中溶液呈现浅黄绿色（氯气部分与水反应，部分溶解于水）；⑧中湿润的红色布条褪色（氯气与水反应生成的次氯酸酸起漂白作用）。

（3）装铜片的小具支试管⑨中充满棕黄色的烟（氯气与预热过的铜片剧烈地反应生成氯化铜）。

（4）⑩中多余的氯气被NaOH 溶液吸收（氯气与氢氧化钠反应生成氯化钠、次氯酸钠和水）。

4 实验创新之处及优点

4.1 创新之处

实验装置采用组合化、微型化的设计原理：通过用铜丝固定住一系列小样品管（微型反应容器），穿过橡皮塞悬空于大具支试管内，产生的氯气相继与小样品管里的物质作用，能同时完成氯气性质的系列实验。

4.2 优点

（1）小样品管内各实验现象及小具支试管中的实验现象依次呈现：因氯气由下至上扩散，使得氯气与各小样品管内试剂接触的时间存在先后顺序，从而使得师生能逐一清晰观察各小样品管内实验现象。

（2）反应时间短：课堂实验时，学生只需先用酒精灯预热⑨中的铜片1 min，再用注射器注入浓盐酸于大具支试管中，再用时不超过1 min，各样品管发生反应并出现明显现象，再用时不超过2 min。总计用不超过4 min的时间就可清晰地完成氯气的制备及系列性质实验，大大提高课堂实验效率。小样品管内各实验及小具支试管中铜与氯气的反应重复率均很高，适合个人实验或小组实验。

（3）反应装置设计微型化，试剂用量少。与常规实验比，氯酸钾、浓盐酸及其它小样品管内的各试剂、约节约四分之三。

（4）装置设计基本全封闭化，氯气的制备及性质系列实验过程中，氯气几乎没有外泄。

参考文献：

[1]姚子鹏主编.化学（高中一年级第一学期）（试用本）[M].上海：上海科学技术出版社，2011：31~33.

[2]李铜，罗世翠.铜与氯气燃烧的实验改进[J].化学教育，2011，（10）：83.

[3]张正飞，柏书梅.卤素单质间置换反应的创新设计[J].化学教学，2011，（10）：82.

[4]游建军,王方舟.氯气性质实验的创新设计[J].化学教学，2009，（10）：15~16.