・54・化 学 教 育 2004年第5期
适合学生探究氯气性质的微型实验装置
刘 强王 磊
(北京师范大学化学系
100875)
摘要 氯气的制备及其化学性质的研究是高中化学课程中的重要部分。然而,氯气的毒性和危
害是学生亲自进行氯气制备和性质实验的最大障碍。本文运用微型实验的思想对氯气的制备和性质实验装置进行了精心设计,大大降低了氯气的危害程度,达到了能让学生安全操作的水平;同时,该套实验装置也同样适用于其他有毒气体的制备和性质研究。 关键词 微型实验氯气虽然,氯气的制备及其化学性质的实验使用标准仪器就能很好地进行演示,但标准仪器装置十分庞大,实验步骤相当繁琐,而且不便于学生操作。我们在前人研究[1]的基础上,运用微型实验的思想,开发出了一套研究氯气性质的微型实验装置,该装置为学生安全操作和亲自研究氯气化学性质提供了可能。我们使用这套微型装置制备并研究了氯气的化学性质,实验现象相当明显。此外,该微型装置还能用于制备和研究其他有毒气体(如,二氧化硫和硫化氢)的化学性质,因此,我们认为该微型装置极具推广价值。1 实验用品
仪器:学生记录单;1张白纸;2个直径为6cm的培养皿;2个直径为9cm的培养皿(作盖子);9支滴管;棉纸。
(约含5%次氯酸钠);硫酸亚铁铵溶液(新制)1%(w/v);亚硫酸钠溶液(新制)1%(w/药品“:84消毒液”
v);0.05mol/L碘化钾溶液;1mol/L硫酸溶液;硫氰酸钾溶液1%(w/v);鲜橙汁。2 实验装置
(以上各图均为简化后的俯视图,为防止产生的氯气对人体产生危害,小培养皿上均盖有大培养皿)3 实验步骤
(1)将小培养皿放在白纸上。各种溶液及其用量按图1所示分别滴加到培养皿中的相应位置。接着,在培养皿滴加“84消毒液”和稀硫酸(注意滴加顺序和液滴的问题),并立即盖上大培养皿。
(2)1min后,可以观察到培养皿中各种液滴的颜色发生了变化,生成的物质如图2所示,反应现象如表1所示。
(3)移走大培养皿,迅速向含铁离子的液滴中加1滴硫氰酸钾溶液,向硫酸钠液滴中滴加1滴盐酸酸化的氯化钡溶液,向含碘的液滴中加1滴淀粉溶液,如图3所示,各液滴的颜色变化情况见表1所示。
表1 实验现象
溶液用量
1滴“84消毒液”+1滴稀硫酸1滴硫酸亚铁铵溶液1滴亚硫酸钠溶液1滴鲜橙汁
实验现象
立即冒出大量的气泡,培养皿内有浅黄绿色的气体产生
1min后,液滴变成棕黄色,滴加1滴硫溶液,溶液呈血红色1min后,滴加1滴盐酸酸化的氯化钡溶液,液滴产生沉淀1min后,由橙黄色变成无色
对比实验中的各液滴仍然呈现原来溶液的颜色,没发生任何变化
(4)另取2个培养皿(一大一小),按图4所示用量滴加各种溶液,用大培养皿盖住1min后重复步骤3,
(下转第56页)做一个对比实验。
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・56・化 学 教 育 2004年第5期
表1
组
1234567
VNaOH
VCuSO
4
nNaOH∶nCuSO
4
现象
浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色不变浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色不变浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色不变浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色不变浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色不变
浅蓝色沉淀,过滤后加热至蒸干,颜色慢慢变为土灰色蓝色沉淀,过滤后加热,颜色迅速变黑蓝色沉淀,过滤后加热,颜色迅速变黑蓝色沉淀,过滤后加热,颜色迅速变黑
pH4.04.04.04.04.55.071213
4.77.59.410121518.82021
151515151515151515
4
0.50.811.061.281.622.132.24=0.625mol/L)
(cNaOH=1mol/L、cCuSO
当nNaOH∶nCuSO4<1.06时,溶液的pH<4.27,故无Cu(OH)2生成。当1.28≤nNaOH∶nCuSO4<1.6时,溶液的pH>4.27,虽有Cu(OH)2生成,但由于生成的Cu(OH)2的量较少,所以,实验也难成功。只有当nNaOH∶
nCuSO4>1.6时,实验才可获得成功。
以上是本人对制取氢氧化铜实验的一点探索。由于受实验条件的,所测数据难免有误差,敬请各位同行批评指正。(上接第54页)
4 实验注意事项
“84消毒液”的液滴和雾气都会刺激和伤害眼睛,使用时需小心;氯气也是有毒气体,尽量少吸入。建议整个实验都在通风橱内进行操作。5 结论与讨论
实验室制备氯气通常是用二氧化锰与浓盐酸在加热条件下反应,生成的氯气通过排饱和食盐水的方法进行收集;氯气的性质实验一般都是在集气瓶和试管中进行,操作步骤比较复杂,不利于学生亲自动手实验。
本实验制备氯气不需加热,实验原理也相当简单:当pH>4时,氯气与冷的强碱反应,生成次氯酸盐;当pH<4时,次氯酸盐与盐酸(这里用稀硫酸和“84消毒液”中的氯离子代替)反应生成氯气[2]。另外,用高锰酸钾与浓盐酸反应制备氯气,也不需加热,可以用做本实验的替代反应物。
次氯酸钠是普通漂白液(约含5%)中的有效成分。制备次氯酸钠的反应如下:
Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O
因此,制备氯气也可以通过漂白液(这里用“84消毒液”代替,该溶液中约含5%的次氯酸钠)与稀硫酸在
Cl2↑+H2O培养皿中反应制得[3]: ClO-+Cl-+2H+
此反应生成的氯气迅速扩散到培养皿中的其他液滴里进行反应,立即就能观察到各液滴的颜色发生变化,发生的反应如: 2Fe2++Cl22Fe3++2Cl-;Fe3++3SCN-Fe(SCN)3;
SO32-+Cl2+H2O 2I-+Cl2
SO42-+2HCl;Ba2++SO42-BaSO4↓;
I2+2Cl-;Cl2使鲜橙汁里的天然色素变成无色的了(漂白性)。
总之,使用这套微型实验装置研究氯气的化学性质,效果相当好,它的最大优点就是氯气自发弥散取代了将反应物混合,而且立即就能观察到反应现象,中学生很容易就能掌握这组实验的操作过程和实验技术。以往教师上课要带上大批的装置到教室里去,弄得不好,还把整个教室搞得乌烟瘴气,其结果只能导致学生对化学实验产生恐惧感,正是由于种种担心,许多学校根本不敢让学生做氯气的制备和性质实验。现在,有了这套微型实验装置,不但操作简单,反应条件容易控制,而且现象快速明显,药品用量少,大大降低了氯气对实验室的污染程度。此外,该实验所用仪器均为透明的玻璃仪器,因此,教师也可以用投影来做演示,以增强实验的效果。
参 考 文 献
[1] MartinM.F.choi・J.Chem.Educ,2002,79(8):992-993[2][3]
大连工学院无机化学教研室.无机化学.北京:人民教育出版社,1982:137钟兴厚等.无机化学丛书(第六卷).北京:科学出版社,1995:126
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