江蘇 印志林

探析氯氣制備實(shí)驗(yàn)的考查方式

江蘇 印志林

氯氣的性質(zhì)活潑，用途廣泛，氯氣的制備和性質(zhì)是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)試題的“發(fā)源地”之一。下面在分析氯氣制備實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探析該實(shí)驗(yàn)的常見考查方式。

一、氯氣實(shí)驗(yàn)室制法的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法是重要的氣體制備實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)時(shí)如果能對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多角度的發(fā)散思維，掌握實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)和細(xì)節(jié)，則可以在后續(xù)復(fù)習(xí)中觸類旁通，事半功倍。

1．實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)室制氯氣利用的是氧化還原反應(yīng)原理，用氧化劑將鹽酸中的Cl－氧化為Cl2。教材實(shí)驗(yàn)中使用的氧化劑是在這個(gè)反應(yīng)中，鹽酸既表現(xiàn)了還原性，又表現(xiàn)了酸性，反應(yīng)中HCl只有一半被氧化。

若無濃鹽酸，則可以用食鹽和濃硫酸來代替：

若無MnO2，則可用K2Cr2O7、KMnO4、KClO3、Ca（ClO）2等更強(qiáng)的氧化劑來代替：

2．反應(yīng)條件

MnO2的氧化性較弱，跟濃鹽酸的反應(yīng)需加熱，但濃鹽酸的揮發(fā)性較強(qiáng)，加熱溫度過高過快會(huì)加快鹽酸的揮發(fā)，使收到的氣體不純，故要緩緩加熱。

3．反應(yīng)的進(jìn)程

鹽酸中Cl－還原性的強(qiáng)弱，與鹽酸濃度有關(guān)，故該實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵在于濃鹽酸的濃度。當(dāng)鹽酸的濃度小于7mol·L－1時(shí)，Cl－濃度小，還原性弱，化學(xué)反應(yīng)將不能發(fā)生，故實(shí)驗(yàn)中必須選用濃鹽酸。

4．反應(yīng)裝置

該反應(yīng)為固體和液體反應(yīng)且需加熱，故發(fā)生裝置使用燒瓶、分液漏斗、酒精燈等。因?yàn)樵诩訜釛l件下濃鹽酸更易揮發(fā)，為保持其濃度，并減少HCl的揮發(fā)，所以濃鹽酸必須由分液漏斗慢慢加入。

5．氣體的收集

因?yàn)镃l2密度大于空氣且能溶于水，所以常用向上排空氣法收集Cl2。Cl2在飽和食鹽水中的溶解度大大減小，也可用排飽和食鹽水法收集Cl2。

6．氣體的凈化

用以上方法制得的Cl2中常混有少量HCl和水蒸氣，若需收集純凈、干燥的Cl2，可將所制得的氣體依次通過盛有飽和食鹽水和濃硫酸的洗氣瓶。

7．檢驗(yàn)與驗(yàn)滿

因?yàn)镃l2是黃綠色氣體，故可以用觀察法判斷Cl2是否收集滿。實(shí)驗(yàn)中常用淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)Cl2，若將潤濕的淀粉碘化鉀試紙靠近集氣瓶口，試紙變藍(lán)，表明Cl2已收集滿。

8．尾氣吸收

Cl2具有毒性，制Cl2的裝置應(yīng)密閉，多余的Cl2應(yīng)使用堿液吸收。和Ca（OH）2相比，NaOH易溶于水，其溶液濃度可以大一些，更適合于吸收裝置中多余的Cl2。需要注意的是，吸收余氣所用的NaOH溶液濃度不能太大，若用濃NaOH溶液則會(huì)導(dǎo)致倒吸現(xiàn)象發(fā)生。

二、有關(guān)氯氣制備實(shí)驗(yàn)的綜合方式

從近年來的高考試題看，與氯氣有關(guān)的綜合實(shí)驗(yàn)題是考試的熱點(diǎn)題型。

1．將氯氣的制備實(shí)驗(yàn)與物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合

【例1】（2015·海南卷）工業(yè)上，向500～600℃的鐵屑中通入氯氣生產(chǎn)無水氯化鐵；向熾熱鐵屑中通入氯化氫生產(chǎn)無水氯化亞鐵?，F(xiàn)用如圖所示的裝置模擬上述過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

回答下列問題：

（1）制取無水氯化鐵的實(shí)驗(yàn)中，A中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________，裝置B中加入的試劑是_____________。

（2）制取無水氯化亞鐵的實(shí)驗(yàn)中，裝置A用來制取_______________。尾氣的成分是________。若仍用D的裝置進(jìn)行尾氣處理，存在的問題是________、________。

（3）若操作不當(dāng)，制得的FeCl2會(huì)含有少量FeCl3，檢驗(yàn)FeCl3常用的試劑是________。欲制得純凈的FeCl2，在實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)先________，再________。

【解析】（1）在制取無水氯化鐵的實(shí)驗(yàn)中，A裝置為Cl2的制備裝置，實(shí)驗(yàn)室通常用MnO2和濃鹽酸共熱制取Cl2，Cl2中混有HCl和水蒸氣，需要用濃硫酸干燥混合氣體以除去水蒸氣。D裝置中應(yīng)盛NaOH溶液，用于吸收多余的Cl2。

（2）HCl與鐵共熱可制得無水氯化亞鐵，則A裝置是HCl的制備裝置，HCl和Fe反應(yīng)生成FeCl2的同時(shí)還生成H2，故尾氣的成分是沒有反應(yīng)的HCl和反應(yīng)生成的H2。HCl極易溶于水，H2不能與NaOH溶液反應(yīng)。若仍用D的裝置進(jìn)行尾氣處理，則D中液體會(huì)發(fā)生倒吸，可燃性的H2也不能被吸收。

（3）檢驗(yàn)FeCl3，常用的試劑是KSCN。欲制得純凈的FeCl2，需防止裝置中氧氣的干擾，在實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)先點(diǎn)燃A處的酒精燈，利用產(chǎn)生的HCl氣體排出裝置中的空氣，然后再點(diǎn)燃C處酒精燈。

【答案】（1）MnO2＋4HCl（濃）MnCl＋Cl↑＋222H2O 濃硫酸

（2）HCl HCl和H2發(fā)生倒吸 可燃性氣體H2不能被吸收

（3）KSCN溶液 點(diǎn)燃A處的酒精燈 點(diǎn)燃C處的酒精燈

2．將氯氣的制備實(shí)驗(yàn)和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合

【例2】某研究性學(xué)習(xí)小組同學(xué)查閱資料得知，漂白粉與硫酸溶液反應(yīng)可制取氯氣，化學(xué)方程式為Ca（ClO）2＋他們?cè)O(shè)計(jì)了如下圖所示的制取氯氣并驗(yàn)證其性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置：

請(qǐng)回答下列問題：

（1）該實(shí)驗(yàn)中A部分的裝置是__________（填寫裝置的序號(hào)）。

（2）A中發(fā)生反應(yīng)一段時(shí)間后，B中的現(xiàn)象是________ _______________________，B中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為___________________________。整套實(shí)驗(yàn)裝置存在的明顯缺陷是________________。

（3）寫出D裝置中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：___________ ________________。

（4）請(qǐng)你幫該小組同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明洗氣瓶C中的Na2SO3已被氧化（簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟）：__________________。

【解析】（1）固體和液體加熱制備氣體時(shí)，應(yīng)選用加熱的圓底燒瓶配分液漏斗裝置。

（2）Cl2通入KI溶液時(shí)置換出I2，I2遇淀粉溶液變藍(lán)。實(shí)驗(yàn)中可能有剩余的Cl2，最后應(yīng)加尾氣吸收裝置，以防止Cl2逸出污染環(huán)境。

（3）D裝置中，Cl2與水反應(yīng)生成HCl和HClO，鹽酸能與NaHCO3反應(yīng)放出CO2。

（4）C中的Na2SO3被氧化后生成Na2SO4，向該溶液中加入足量鹽酸后再加BaCl2溶液，如果生成白色沉淀，則可證明其中含有。

【答案】（1）丁

（2）溶液變藍(lán)色 2I－＋Cl2===2Cl－＋I(xiàn)2無尾氣吸收裝置

（3）Cl2＋H2OH＋＋Cl－＋HClO、HCO3－＋H＋===H2O＋CO2↑

（或Cl2＋===Cl－＋HClO＋CO2↑）（4）取少量溶液置于潔凈的試管中，向其中加入稀HCl至不再產(chǎn)生氣體，再向其中滴入氯化鋇溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則證明亞硫酸鈉被氧化

3．將氯氣的制備實(shí)驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)進(jìn)行綜合

【例3】經(jīng)常性地對(duì)環(huán)境進(jìn)行消毒，是預(yù)防各種傳染性疾病的有效措施。某研究小組為制備消毒液（主要成分是NaClO）設(shè)計(jì)了A、B兩套裝置（B裝置中電極材料均為石墨）。并查閱到下列資料：“在加熱的情況下鹵素單質(zhì)和堿液發(fā)生如下反應(yīng)：

請(qǐng)回答下列問題：

（1）寫出裝置A燒瓶中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：______ ______________________________________________________。

（2）若去掉裝置A中盛濃硫酸的洗氣瓶，能否達(dá)到預(yù)期目的？________（填“能”或“不能”）。

（3）裝置A中盛冰水的燒杯的作用是________________ ______________________________________________________。

（4）利用裝置B制備消毒液時(shí)有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________________________________。

（5）裝置B中a端應(yīng)接電源的_______________極，理由是____________________________________________________。

【解析】（1）MnO2具有氧化性，濃鹽酸中的Cl－具有還原性，加熱時(shí)MnO2能將Cl－氧化為Cl2，＋4價(jià)錳元素被還原為＋2價(jià)。

（2）Cl2與NaOH溶液反應(yīng)時(shí)不需要干燥，若去掉裝置A中盛濃硫酸的洗氣瓶，對(duì)反應(yīng)不產(chǎn)生影響。

（3）Cl2與NaOH溶液反應(yīng)時(shí)放熱，為了防止受熱時(shí)反應(yīng)生成NaClO3，需用冰水降溫。

（4）電解飽和食鹽水生成的Cl2和NaOH發(fā)生反應(yīng)，可以得到含有NaClO的消毒液。

（5）裝置B中，b端所連的碳棒旁有便于氫氣逸出的玻璃導(dǎo)管，所以b是電源的負(fù)極，與之相連的碳棒是陰極，H＋在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。

【答案】（1）MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

（2）能

（4）Cl2＋2OH===－Cl－＋ClO－＋H2O

（5）正 因?yàn)閍端所連的碳棒上Cl－發(fā)生氧化反應(yīng)，是電解池的陽極

分析以上解題過程可以看出，解答與氣體制備有關(guān)的綜合實(shí)驗(yàn)題時(shí)，應(yīng)注意以下問題：

（1）明確實(shí)驗(yàn)的原理和目的，搞清楚各實(shí)驗(yàn)裝置的作用，根據(jù)“制備氣體—除雜干燥—主體實(shí)驗(yàn)—尾氣吸收”的基本流程連接實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)注意實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)問題，如洗氣瓶中導(dǎo)管的長(zhǎng)短、分液漏斗中玻璃塞的開合等。

（2）選擇的除雜試劑應(yīng)在除去雜質(zhì)氣體的同時(shí)，減少原氣體的溶解量，故一般采取通入相關(guān)飽和溶液的方法。如Cl2中混有HCl，可通過飽和食鹽水；SO2（或CO2）中混有HCl，則可通過飽和NaHSO3（或NaHCO3）溶液。

（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)物質(zhì)時(shí)應(yīng)防止干擾，除去雜質(zhì)氣體時(shí)應(yīng)驗(yàn)證是否除盡。

（4）制備物質(zhì)時(shí)，應(yīng)控制溫度、濃度等反應(yīng)條件，防止副反應(yīng)的發(fā)生。制備在空氣中能與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)時(shí)，應(yīng)保證制取裝置前后均有除水裝置，以確保實(shí)驗(yàn)前后均無水蒸氣引入，提高產(chǎn)物的純度。

（作者單位：江蘇省常州市橫山橋高級(jí)中學(xué)）