氯气制备与性质检验的数字化、一体化实验改进

摘要

针对现有氯气制备及性质实验存在装置烦琐、污染大、现象不明显等缺点，可利用定制的双具支试管、pH传感器及注射器等仪器，对实验装置进行重新设计。该设计的突出优点是，将氯气的制备、酸性及氧化性检验与尾气处理整合于密闭系统中，实现了操作流程的一体化。改进后的实验具有药品用量少（微型化）、绿色环保（零泄漏）及数据可视化（数字化）的显著优势，从而为高中化学的绿色化、数字化课堂探究教学提供了新的解决方案。

Graphical abstract

关键词

氯气制备 / 性质检验 / 数字化 / 一体化 / 实验改进

氯气的制备与性质检验实验在高中化学教学中占有重要地位。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“教学提示”栏目中将“氯气的制备及性质、氯水的性质及成分探究”作为学生实验探究活动之一^［1］。

在人教版高中化学必修第一册中，采用二氧化锰与浓盐酸混合加热制取氯气，且氯气的制备与性质检验实验是分开进行的。在实际教学中，实验存在以下问题。

（1） 制备与性质检验实验需要独立操作，比较烦琐、费时，不利于课堂探究教学。

（2） 氯气的性质检验实验多数在不同的集气瓶中进行，药品用量较大，实验过程中容易逸散，不利于培养学生的环保意识。

（3） 氯气的性质实验涵盖不够全面，未涉及氯气的氧化性、与水反应等性质实验，氯气与水的反应仅采用文本描述，学生对氯水酸性的了解仅停留在定性层面，缺乏定量探究。针对上述问题，笔者对氯气的制备与性质检验实验进行了数字化、一体化的设计。

1 研究现状

不少学者对氯气的制备与性质检验实验进行了改进与创新，其思路主要体现在以下3个方向：①通过简化连接、封闭系统实现实验装置的一体化与绿色化^［2-9］；②选用更安全、易得的药品（如漂白粉替代二氧化锰）进行反应物的替换与优化^［2-9］；③推行微型实验，显著减少试剂用量与环境污染^［5-9］。

这些改进成果也并非尽善尽美，仍存在若干局限有待突破。例如：部分设计未能彻底处理装置的残余氯气，存在泄漏风险^［2］；所采用的定制化仪器在中学实验室中并不普及，推广性受限^［3］；部分一体化装置本身结构复杂、操作步骤烦琐，偏离了简化教学的初衷^［4-7］；还有，多数研究集中于制备与个别性质验证，未能系统整合氯气的酸性、氧化性、漂白性等关键性质进行连贯探究^［8-9］。鉴于此，笔者在充分吸收前人经验的基础上，着力弥补上述不足，通过使用常规仪器与数字化实验仪器相结合，构建了密闭系统，从而将氯气的制备、多维度性质检验（酸性、氧化性及漂白性）与尾气吸收进行有机整合，实现了真正意义上的数字化、一体化、绿色化的实验设计。

2 实验改进

2.1 实验用品

（1） 实验仪器。①数字化采集系统：Vernier pH传感器、数据采集器及安装有Logger Pro软件的计算机，用于实时监测氯水酸性的变化；②一体化反应系统：定制双具支试管（作为主反应器）、5 mL注射器（2个，用于气体转移与加液）、铁架台、酒精灯；③气源与辅助部件：双联打气球（氯气源）、导管、橡胶塞、气球（暂存气体）、棉花（吸附试剂）；④常规操作工具：托盘天平、药匙、镊子、火柴。

（2） 实验试剂与材料：浓盐酸、KMnO₄固体、饱和NaCl溶液、稀硝酸、AgNO₃溶液、NaOH溶液、品红溶液、无水CaCl₂、蒸馏水、pH试纸、淀粉-KI试纸。

2.2 实验装置

定制双具支试管如图1所示，氯气的制备与性质检验实验改进装置如图2所示。

2.3 实验步骤

（1） 按图2组装实验装置，并检查装置的气密性。

（2） 称取1 g KMnO₄固体于定制双具支试管A中，向定制双具支试管A的右侧支管中依次放入经饱和NaCl溶液润湿的棉花团、包裹无水CaCl₂的棉花团。将吸有2 mL浓盐酸的注射器1插入定制双具支试管A的上方橡胶塞中，再将连有双联打气球的橡胶塞塞进定制双具支试管A的左侧支管，关闭双联打气球上的止水夹。

（3） 向定制双具支试管B的左侧支管中，从右往左依次放入湿润的淀粉-KI试纸、湿润的pH试纸、包裹无水CaCl₂的棉花团、干燥的pH试纸，再向定制双具支试管B中加入滴有品红溶液的20 mL蒸馏水。连接定制双具支试管A、B，安装pH传感器。再将吸有1 mL经稀HNO₃酸化的AgNO₃溶液的注射器2插入定制双具支试管B的上方橡胶塞中。用橡皮筋将装有NaOH棉花团的气球固定在定制双具支试管B的右侧支管上。

（4） 打开Vernier Logger Pro软件，设置好参数后点击采集按钮。将注射器1中的浓盐酸缓慢注入定制双具支试管A中。

（5） 待计算机屏幕上的数据稳定后，停止采集。将pH传感器探头移至液面上方，加热定制双具支试管B，观察实验现象。将经稀HNO₃酸化的AgNO₃溶液缓慢注入定制双具支试管B中。

（6） 用注射器1吸取5 mL饱和NaOH溶液并注入定制双具支试管A中，打开止水夹，用双联打气球向装置内鼓气，即可使装置内残余的氯气全部被吸收。

2.4 实验现象及解释

（1） 定制双具支试管A中的浓盐酸与KMnO₄反应剧烈，KMnO₄粉末溶解，产生大量黄绿色气体。实验原理：\mathrm{2}\mathrm{K}\mathrm{M}\mathrm{n}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{16}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{浓})\stackrel{}{̿}\mathrm{2}\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}+\mathrm{8}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+\mathrm{5}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\uparrow。

（2） 在定制双具支试管B的左侧支管中，干燥的pH试纸无明显变化。而湿润的pH试纸先变红后逐渐褪色，说明Cl₂本身没有漂白性，但能与水反应，生成具有酸性和漂白性的物质。实验原理为：Cl₂+H₂O\stackrel{}{̿}HCl+HClO。

（3） 湿润的淀粉-KI试纸先变蓝后逐渐褪色。变蓝说明Cl₂具有氧化性，能氧化I^-，实验原理为：Cl₂+2KI\stackrel{}{̿}I₂+2KCl；蓝色褪去是因为过量的Cl₂会继续氧化I₂，实验原理为：5Cl₂+I₂+6H₂O\stackrel{}{̿}2HIO₃+10HCl。

（4） 定制双具支试管B中溶液的pH随时间变化曲线如图3所示，其中AB段为滴有品红蒸馏水的pH，BC段pH下降，说明Cl₂与H₂O发生反应，且氯水呈酸性。试管B中滴有品红的蒸馏水褪色，再次证明Cl₂与H₂O反应生成了具有漂白性的新物质，即HClO。实验原理为：Cl₂+H₂O\stackrel{}{̿}HCl+HClO。加热定制双具支试管B，溶液颜色没有恢复，说明次氯酸的漂白性是不可逆的。

（5） 缓慢向定制双具支试管B中加入经稀HNO₃酸化的AgNO₃溶液，观察到有白色沉淀生成，说明氯水中有Cl^-。实验原理为：Ag⁺+Cl^-\stackrel{}{̿}AgCl↓。

（6） 定制双具支试管B的气球略微变大后又逐渐减小。尾气处理的实验原理为：Cl₂+2NaOH\stackrel{}{̿}NaCl+NaClO+H₂O。

2.5 注意事项

（1） Cl₂有毒，实验前要检查装置的气密性，避免Cl₂泄漏，污染环境。

（2） 浓盐酸有强腐蚀性和挥发性，实验操作过程中要戴好口罩和手套。

（3） 尾气处理的NaOH溶液的浓度不宜过低，应使用饱和NaOH溶液。

（4） 为避免干燥的pH试纸褪色，干扰实验结果，应在干燥的pH试纸右侧放置包裹有无水CaCl₂的棉花。

3 结语

该实验用定制双具支试管和注射器等搭建装置，实验操作简单、方便快捷、安全高效，具有以下优点。

（1） 绿色化——氯气的制备与性质检验实验都在密闭装置中进行，利用氢氧化钠溶液有效处理了装置中的余氯，实现了有毒气体零排放，符合绿色化学理念，培养了学生的环保意识。

（2） 数字化——利用pH传感器，定量探究了氯水的酸性，并对氯水中的氯离子进行检验，有助于学生深入理解氯气与水的反应。

（3） 一体化——在密闭装置中，短时间内完成了氯气的制备以及酸性、漂白性、氧化性等性质实验，还验证了次氯酸对品红溶液漂白作用的不可逆性。改进实验不仅适用于课堂的教师演示，还适用于学生分组探究，且在探究过程中可以提高学生的参与度，培养学生的创新意识和实践能力。

（4） 普适性——该装置稍加改装后，还可以用于二氧化硫等气体的制备与性质检验实验。例如，把浓盐酸和高锰酸钾换成硫酸和亚硫酸钠，就可以完成二氧化硫的制备及氧化性、还原性、漂白性、水溶性等性质实验。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 李猛，王世存.氯气制备及性质实验的一体化设计［J］.化学教学，2016（08）：60-63.

[3] 阎润鸿，冯高峰.氯气制备和性质检验一体化实验的新设计［J］.化学教学，2021（11）：68-71.

[4] 张红红，莫尊理，裴贺兵，等.氯气的制备及性质一体化实验改进设计［J］.化学教育（中英文），2022，43（23）：93-97.

[5] 蔡文洁，李茂军，项吉，等.氯气的制备及性质实验创新改进［J］.中学化学教学参考，2022（14）：65-66.

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[8] 洪燕茹，李俊珏，蔡开聪.氯气性质实验的一体化绿色设计［J］.化学教育（中英文），2024，45（03）：106-108.

[9] 安浪沙，王中华.氯气制备与性质探究实验的改进［J］.中学化学教学参考，2023（24）：62-63.

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