摘要：通過分析現(xiàn)行上科版高一化學(xué)教材中關(guān)于氯氣制備及系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的某些不足，設(shè)計(jì)出一種快速制備氯氣并考查氯氣性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)的組合化、微型化裝置，解決了教材實(shí)驗(yàn)中氯氣用量較大、易泄露、操作不簡便、實(shí)驗(yàn)教學(xué)耗時(shí)較多的問題，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置體現(xiàn)出微型、簡便、高效、綠色的科學(xué)理念，有利于開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：氯氣制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)；組合化與微型化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005–6629(2012)5–0050–03 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

現(xiàn)行上科版高一化學(xué)教材[1]中研究氯氣的系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)于氯氣與濕潤的有色布條、與細(xì)銅絲的反應(yīng)，采用的方法是用集氣瓶收集滿氯氣，然后將紅熱的銅絲、濕潤的有色布條分別伸入集氣瓶中。雖實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但此種實(shí)驗(yàn)演示方法的最大弊端是：氯氣易泄露、污染空氣、不利于師生的身心健康，還會(huì)在一定程度上引起學(xué)生對(duì)有毒氣體實(shí)驗(yàn)的畏懼和恐慌；關(guān)于氯氣與水、與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)則采用的是用注射器吸取適量氯氣，然后分別將氯氣注入到盛有水和氫氧化鈉溶液的注射器中，此種方法操作煩瑣、容易扎破手指；關(guān)于與溴化鈉溶液、與碘化鈉溶液、與氯化亞鐵溶液、與硫化鈉溶液的反應(yīng)、與紫色石蕊的反應(yīng)，采用的是用氯氣分別直接通入到盛有相應(yīng)試劑的試管里，該方法操作不簡便、比較耗時(shí)且氯氣用量也較多。盡管已有老師[2]就銅與氯氣的反應(yīng)作了較大的改進(jìn)，解決了實(shí)驗(yàn)中氯氣泄露的問題；也有老師[3]就氯氣與溴化鈉溶液、碘化鈉溶液的反應(yīng)做了改進(jìn)，解決了鹵素單質(zhì)氧化性強(qiáng)弱比較的探究性問題。然而這些關(guān)于氯氣制備及性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)一般只局限于某一個(gè)反應(yīng)，尚未有人對(duì)氯氣制備及性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)裝置做整體性的組合化與微型化設(shè)計(jì)，氯氣耗量較大、實(shí)驗(yàn)操作還不夠簡便、氯氣易逸散到空氣中等問題也未完全解決，課堂實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長。鑒于此，設(shè)計(jì)高效、簡潔、環(huán)保、易操作且現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)裝置顯然是很有意義的。

2 氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的組合化與微型化設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材及藥品

實(shí)驗(yàn)器材：25 mL具支試管、10 mL具支試管、2 mL樣品管、10 mL樣品管、5 mL注射器、酒精燈、橡皮塞、長導(dǎo)管、橡皮管、封口膜一小片濕潤的紅色布條、銅片。

實(shí)驗(yàn)藥品：KClO3、濃鹽酸、CCl4、Na2S、NaI、NaBr、FeCl2

配制溶液：濃度均為0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液和FeCl2溶液；紫色石蕊試液；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30的NaOH溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

組合化、微型化的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示（夾持儀器略）：

2.2.1 整套裝置采用設(shè)計(jì)原理

通過用銅絲固定住一系列小樣品管（微型反應(yīng)容器），穿過橡皮塞懸空于大具支試管內(nèi)，產(chǎn)生的氯氣相繼與小樣品管里的物質(zhì)作用，既能減少藥品的使用量、又大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、還助于學(xué)生近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并且操作也簡單安全。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由三部分構(gòu)成：制氣部分：①號(hào)大具支試管中由KClO3與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣；系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)部分：編號(hào)②~⑧的小樣品管及⑨號(hào)小具支試管，其中②中可比較氯氣與單質(zhì)硫氧化性大小、③中可比較氯氣與單質(zhì)碘氧化性大小及加深對(duì)萃取原理的理解、④中可比較氯氣與單質(zhì)溴的氧化性大小及加深對(duì)萃取原理的理解、⑤中可比較氯氣與 Fe3+氧化性大小、⑥中可獲得氯氣可以使紫色石蕊先變紅色后褪色的感性認(rèn)識(shí)、⑦中考查氯氣的溶解性、⑧中考查氯氣的漂白性、⑨中考查氯氣與銅的反應(yīng)；尾氣處理部分：⑩大樣品管中的氫氧化鈉溶液用以吸收多余的氯氣。

2.2.2 裝置搭建步驟

（1）取25 mL具支試管一只，加入0.35 g KClO3（約0.003 mol）固體于底部。

（2）再取2 mL樣品管7只，用具有一定硬度，直徑為0.5 mm的銅絲（說明：市售的銅絲表面有一層保護(hù)漆，可保護(hù)銅絲在通常情況下不被腐蝕）等距離系牢樣品管，向小樣品管中（②~⑧）依次從下往上添加體積均為1 mL，濃度均為 0.1 mol·L-1 的Na2S溶液、NaI溶液、NaBr溶液、FeCl2溶液以及1 mL蒸餾水、1 mL紫色石蕊試液和一小片濕潤的紅色布條，并再向盛裝NaI溶液、NaBr溶液的樣品管中再各加入0.5 mL的CCl4，然后將樣品管依次小心放入具支試管中，塞緊橡皮塞并用封口膜密封，銅絲末端穿過橡皮塞約2 cm。

（3）大具支試管支管處用橡皮管連接一長導(dǎo)管，另取一只10 mL具支試管，內(nèi)放一片銅片，然后將長導(dǎo)管穿過橡皮塞伸入到距離小具支試管底部約0.5 cm處，塞緊橡皮塞，將具支試管均固定在鐵架上，再用橡皮管在小具支試管支管處連接長導(dǎo)管，長導(dǎo)管一端伸入盛有ω=0.30的NaOH溶液的樣品管里，各接口處用封口膜做密封處理。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

教師課前先按圖1所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置，添加小樣品管中的各試劑以及⑨、⑩中的藥品，并用封口膜對(duì)整個(gè)裝置做密封處理后固定于鐵架臺(tái)上。上課時(shí)再將整套裝置小心發(fā)給學(xué)生。學(xué)生按照如下步驟實(shí)驗(yàn)：

（1）點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)裝有銅片的具支試管加熱1~2分鐘，對(duì)銅片進(jìn)行預(yù)熱。

（2）另取5 mL注射器一只，吸取2 mL（約0.021 mol）市售濃鹽酸，迅速沿試管壁注入到大具支試管中，濃鹽酸與氯酸鉀一接觸便立即產(chǎn)生氯氣，并上升充滿樣品管，同時(shí)與各小樣品管里的溶液相繼發(fā)生反應(yīng)，然后氯氣經(jīng)長導(dǎo)管通入小具支試管與已預(yù)熱的銅片發(fā)生反應(yīng)，多余的氯氣被NaOH 溶液吸收。

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）用注射器沿大具支試管的試管壁注入濃鹽酸后，立即可觀察到有黃綠色氣體產(chǎn)生（氯酸鉀與濃鹽酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氯氣、氯化鉀和水）。

（2）接觸并吸收氯氣后，各小樣品管樣品自下而上發(fā)生的現(xiàn)象依次為：②中有淡黃色沉淀（氯氣與硫化鈉反應(yīng)生成氯化鈉和硫單質(zhì)）；③中開始時(shí)上層溶液呈黃色（氯氣與碘化鈉反應(yīng)生成碘單質(zhì)和氯化鈉）、下層無色逐漸變化為上層幾乎無色下層為紫色（四氯化碳萃取單質(zhì)碘的結(jié)果）；④中開始上層溶液呈淡黃色（氯氣與溴化鈉反應(yīng)生成溴單質(zhì)和氯化鈉）、下層無色逐漸變化為上層無色下層為橙色（四氯化碳萃取單質(zhì)溴的結(jié)果）；⑤中溶液由淺綠色（很淺，需仔細(xì)觀察）變黃（氯氣與氯化亞鐵溶液反應(yīng)生成氯化鐵）；⑥中溶液在數(shù)秒內(nèi)變紅（氯氣與水反應(yīng)有鹽酸生成），再逐漸變?yōu)闊o色（氯氣與水反應(yīng)生成的次氯酸起漂白作用）；⑦中溶液呈現(xiàn)淺黃綠色（氯氣部分與水反應(yīng)，部分溶解于水）；⑧中濕潤的紅色布條褪色（氯氣與水反應(yīng)生成的次氯酸酸起漂白作用）。

（3）裝銅片的小具支試管⑨中充滿棕黃色的煙（氯氣與預(yù)熱過的銅片劇烈地反應(yīng)生成氯化銅）。

（4）⑩中多余的氯氣被NaOH 溶液吸收（氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成氯化鈉、次氯酸鈉和水）。

4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處及優(yōu)點(diǎn)

4.1 創(chuàng)新之處

實(shí)驗(yàn)裝置采用組合化、微型化的設(shè)計(jì)原理：通過用銅絲固定住一系列小樣品管（微型反應(yīng)容器），穿過橡皮塞懸空于大具支試管內(nèi)，產(chǎn)生的氯氣相繼與小樣品管里的物質(zhì)作用，能同時(shí)完成氯氣性質(zhì)的系列實(shí)驗(yàn)。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）小樣品管內(nèi)各實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及小具支試管中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依次呈現(xiàn)：因氯氣由下至上擴(kuò)散，使得氯氣與各小樣品管內(nèi)試劑接觸的時(shí)間存在先后順序，從而使得師生能逐一清晰觀察各小樣品管內(nèi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）反應(yīng)時(shí)間短：課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生只需先用酒精燈預(yù)熱⑨中的銅片1 min，再用注射器注入濃鹽酸于大具支試管中，再用時(shí)不超過1 min，各樣品管發(fā)生反應(yīng)并出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，再用時(shí)不超過2 min。總計(jì)用不超過4 min的時(shí)間就可清晰地完成氯氣的制備及系列性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，大大提高課堂實(shí)驗(yàn)效率。小樣品管內(nèi)各實(shí)驗(yàn)及小具支試管中銅與氯氣的反應(yīng)重復(fù)率均很高，適合個(gè)人實(shí)驗(yàn)或小組實(shí)驗(yàn)。

（3）反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)微型化，試劑用量少。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)比，氯酸鉀、濃鹽酸及其它小樣品管內(nèi)的各試劑、約節(jié)約四分之三。

（4）裝置設(shè)計(jì)基本全封閉化，氯氣的制備及性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)過程中，氯氣幾乎沒有外泄。

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