氯气制备与性质实验的微型一体化新设计

摘要

选择生活中常见的84消毒液和洁厕灵为原料，利用透明中性笔笔筒、气球、珍珠棉、注射器等器材组合成一款微型实验装置，用其可实现氯气的制备及性质的检验的一体化实验。从实际使用效果看，改进装置不仅可以检验氯气的性质，同时可以直接进行尾气处理，具有操作性强、现象明显和简单、环保等优点。

Graphical abstract

关键词

氯气 / 制备 / 性质检验 / 微型化学实验 / 一体化实验装置 / 设计

人教版、鲁教版等教材中的氯气实验室制法均采用浓盐酸与二氧化锰在加热条件下反应制取氯气，但该实验存在原料消耗较大、过程复杂、制得氯气量比较大等问题，且不符合绿色化学理念^［1］。

较多研究者从氯气的制备与检验的实验方案和实验装置等方面进行了改进。郭巧云等^［2］设计的装置（图1）具有操作性强、现象明显的优点，但氯气与铜丝在加热条件下的反应剧烈，容易导致学生将注意力都集中到氯气与铜丝的反应上，而忽略了其他现象的变化；王秀艳等^［3］设计的实验装置（图2）具有一体化特点，但未对矿泉水瓶中残留的氯气进行处理，同时该装置未设计防倒吸装置；许美莲等^［4］设计的装置（图3）通过“花树”的形式检验了氯气的性质，但学生基于太多的现象去探究氯气的性质可能会使其不知所措，难以将反应与现象一一对应。

笔者以生活中常见的84消毒液和洁厕灵为原料，利用透明中性笔笔筒、气球、珍珠棉等器材制成一款氯气的制备及性质的检验一体化微型实验装置，将其用于相关实验，能够以微型实验的方式呈现给学生。

1 实验原理

采用84消毒液（NaClO）与洁厕灵（HCl）反应制备Cl₂，其化学式为：\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}+\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}=\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\uparrow +{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

2 性质检验

（1） 氧化性。Cl₂可以将I^-和Br^-氧化成I₂和Br₂，即有：\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{K}\mathrm{I}=\mathrm{2}\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}+{\mathrm{I}}_{\mathrm{2}};\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{B}\mathrm{r}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}。

（2） 酸性与漂白性。Cl₂溶于水发生可逆反应，生成HClO和HCl，紫色石蕊溶液遇酸先变红，后因HClO具有漂白性而褪色，即有：\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}。

（3） 与碱溶液反应。其反应式为：\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

3 实验器材

烧杯、玻璃棒、两支10 mL注射器；气球、透明中性笔笔筒、铜丝、珍珠棉、棉花、封口胶、淀粉-KI试纸；洁厕灵、84消毒液、饱和NaOH溶液、NaBr溶液、紫色石蕊溶液、蒸馏水。

4 实验准备

微型一体化实验装置如图4所示，笔筒下面用珍珠棉封口；取3根长度分别为7 cm、5 cm、3 cm的铜丝，7 cm铜丝套上蘸有紫色石蕊溶液的棉花，5 cm的铜丝套上蘸有溴化钠溶液的棉花，3 cm的铜丝套上湿润的淀粉-KI试纸；3根铜丝钩住笔筒上口固定于笔筒内，将装有饱和NaOH溶液的气球套在笔筒上口，并用封口胶密封；分别将装有洁厕灵和84消毒液的注射器通过下面的珍珠棉插进笔筒内，并加以固定。

5 实验步骤及现象

（1） 组装好实验仪器，检验装置的气密性。

（2） 氯气的制备。缓慢推动装有洁厕灵的注射器的活塞，向笔筒内注射少量洁厕灵，拔出注射器；缓慢推动装有84消毒液的注射器的活塞，向笔筒内注射适量84消毒液，拔出注射器并轻微振荡笔筒；此时可以看到：笔筒内有气泡产生，并伴随有黄绿色气体生成。

（3） 气体的检验。反应20 s后，湿润的淀粉-KI试纸变蓝，蘸有溴化钠溶液的脱脂棉变为橙黄色，蘸有紫色石蕊溶液的脱脂棉变为红色；40 s后红色褪去。

（4） 尾气处理。将气球中的饱和NaOH溶液倒入笔筒中，即可反应掉多余的氯气和洁厕灵中的盐酸溶液。

（5） 实验整理。反应结束后，将装置洗净并放在指定位置。说明：气球、笔筒、铜丝可重复使用。

6 实验优点

（1） 一体化：制备装置气密性良好，具有性质检验和尾气处理一体化功能，确保无污染，符合绿色化学理念。

（2） 微型化：较其他装置具有简单、微型化的优点。

（3） 普适性：该实验最大的创新点在于装置简便、容易组装、操作性强、现象明显，不仅适用于教师演示实验，也适用于学生分组实验。

（4） 节约性：改进实验设计微型化，实验原材料用量少，价格低廉且容易获取。

（5） 生活化：实验用品与原料大多来源于生活，易于吸引学生的注意力，激发其学习兴趣。

（6） 教育性：该实验让学生了解到84消毒液和洁厕灵不能同时使用，有利于促进学生将化学与生活相结合，提高学生的创新能力^［5］。

7 结语

基于氯气的制备与性质检验的一体化微型实验，具有装置简单、操作性强、安全性高、现象明显的优点，既可以为教师演示实验节约时间，也可以让学生在教师指导下独立完成实验。该实验所用试剂及组成装置的用品大多来源于生活，富有一定的趣味性，可以有效培养学生的创新能力，增强其环保意识，以及树立其化学与生活紧密联系的理念。

参考文献

[1] 王晶，毕华林.普通高中教科书化学必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 郭巧云，赵永婷，陈红亮.氯气制备与性质实验的一体化创新设计［J］.实验教学与仪器，2022，39（01）：43-44.

[3] 王秀艳，李想，王慧琳.“氯气制备与性质探究”实验的微型化、一体化创新设计［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2021（05）：20-22.

[4] 许美莲，夏加亮.氯气制备与性质实验一体化的创新设计［J］.高中数理化，2020（16）：76-78.

[5] 张素蓉.氯气的制备及性质实验改进［J］.云南化工，2018，45（S1）：89-90.