張麗敏 劉枚 李興

摘要： 通過對磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的一些研究實(shí)例的分析和討論，認(rèn)為對該實(shí)驗(yàn)有進(jìn)一步研究和改進(jìn)的必要性。利用吸濾瓶、具支試管、一次性注射器以及激光筆等器材，通過設(shè)計(jì)環(huán)保一體化的實(shí)驗(yàn)裝置，減少氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒時對環(huán)境的污染，解決了教材中光有講述沒有實(shí)驗(yàn)的實(shí)際問題，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞： 紅磷; 氯氣; 燃燒; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0065-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

磷在點(diǎn)燃的條件下能與氯氣反應(yīng)，是現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]中的重要知識點(diǎn)。教材中指出，磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷（PCl3），在過量的氯氣中燃燒生成五氯化磷（PCl5）。教材中光有這些理論知識，并沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證和說明。由于大多數(shù)教師缺乏有效的實(shí)驗(yàn)手段，只能紙上談兵，常使學(xué)生感到枯燥無味，不利于培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)識和科學(xué)素養(yǎng)。由于學(xué)生看不見磷在氯氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，觀察不到三氯化磷轉(zhuǎn)化成五氯化磷的過程，學(xué)生在好奇心和求知欲的驅(qū)使下，往往對生成兩種氯化物的生成條件和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生懷疑，甚至有的學(xué)生提出了一些問題。例如： 教材中給出的結(jié)論真的正確嗎？磷點(diǎn)燃時真能夠在氯氣中燃燒嗎？三氯化磷真的是無色液體嗎？磷在氯氣充足時真能生成五氯化磷嗎？五氯化磷是什么顏色和狀態(tài)？由此可見，這些問題雖然不大，但不通過實(shí)驗(yàn)是很難解決的。由于教材沒有給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生提出的問題再多、再簡單，教師也是束手無策，無言以對，只能是書上怎么講，教師就怎么說，致使教師非常被動和尷尬。針對這種情況，我們利用吸濾瓶、氣球、一次性注射器、橡膠塞、激光筆等常見儀器，通過巧妙設(shè)計(jì)和組合，制作了磷在氯氣中燃燒的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

2? 研究現(xiàn)狀及分析

廣大化學(xué)教育工作者也曾研究、設(shè)計(jì)出了磷在氯氣中燃燒的一些實(shí)驗(yàn)方案。這些實(shí)驗(yàn)方案雖然解決了一定的問題，但仍然不盡如人意，具體表現(xiàn)為：

（1） 有的實(shí)驗(yàn)方案需要復(fù)雜的氯氣制備系統(tǒng)，制備、收集氯氣時費(fèi)時費(fèi)力，不適應(yīng)當(dāng)今社會的環(huán)保要求，不利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。

例1? “磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[2]一文（見圖1）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng);②點(diǎn)燃紅磷時必須在瓶外點(diǎn)燃，既造成了紅磷燃燒生成五氧化二磷的粉塵污染，又造成了瓶內(nèi)氯氣外逸的氣體污染;③沒有指明氯氣是干燥的，容易使磷的氯化物發(fā)生水解，影響實(shí)驗(yàn)效果。

圖1? “磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”一文中的裝置

例2? “紅磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[3]存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng);②直接將氯氣瓶扣在燃燒的紅磷上，粉塵污染和氣體污染更為嚴(yán)重。

例3? “磷在氯氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”[4]（見圖2）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng)，在注射器內(nèi)收集氯氣，容易使氯氣外逸;②點(diǎn)燃紅磷時容易造成粉塵污染;③當(dāng)紅磷在氯氣中燃燒時由于是放熱反應(yīng)，具支試管上的膠塞很難塞住，容易被頂出，造成室內(nèi)污染。

圖2? “磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”

一文中的裝置

（2） 有的實(shí)驗(yàn)方法很難得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，失去了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)意義。

例4? “紅磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[5]（見圖3）存在問題有： ①點(diǎn)燃紅磷時容易造成粉塵污染;②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易受氯氣制備的干擾，因?yàn)樵诜磻?yīng)器內(nèi)存在大量水蒸氣，生成的三氯化磷和五氯化磷容易水解（PCl3+3H2OH3PO3+3HCl、 PCl5+4H2OH3PO4+5HCl），最終很難看到兩種產(chǎn)物的生成過程。

圖3? “紅磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”

一文中的裝置

上述事實(shí)說明，進(jìn)一步研究紅磷在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的方案是很有必要的，通過研究紅磷在氯氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)方法，可以完善前人的實(shí)驗(yàn)方案，為提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。

3? 研究理念

根據(jù)氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒的特點(diǎn)，立足于實(shí)驗(yàn)的簡單化、環(huán)保化、一體化，努力保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、安全性、可操作性。制備氯氣時，可以用高錳酸鉀晶體與濃鹽酸反應(yīng)來完成;可以用濃硫酸干燥氯氣;剩余的氯氣可以用氫氧化鈉溶液來吸收;各種實(shí)驗(yàn)儀器通過精心設(shè)計(jì)、巧妙組合，最終實(shí)現(xiàn)氯氣制備、磷在氯氣中燃燒和有毒氣體吸收的一體化，確保實(shí)驗(yàn)者能很好地使用該實(shí)驗(yàn)裝置，順利完成教學(xué)任務(wù)。

4? 設(shè)計(jì)方案

依據(jù)設(shè)計(jì)理念，氯氣的制備可以利用具支試管作為反應(yīng)器。具支試管底部盛放高錳酸鉀晶體，然后將注射器內(nèi)的濃鹽酸慢慢注入具支試管內(nèi)，使兩者發(fā)生反應(yīng)。生成的氯氣通過另一支具支試管內(nèi)的濃硫酸被干燥，磷和干燥的氯氣發(fā)生反應(yīng)是在吸濾瓶內(nèi)進(jìn)行，點(diǎn)燃磷的方法是用激光筆照射來完成，有毒物質(zhì)則利用氣球里的氫氧化鈉溶液來吸收。使用氣球有兩個作用： 一是可以平衡吸濾瓶內(nèi)部與外部的壓強(qiáng);二是防止多余的氯氣外逸，不僅保證實(shí)驗(yàn)的安全性，而且還可以防止橡膠塞被頂出，造成有毒氣體的外泄。

5? 反應(yīng)原理

（1） 高錳酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)生成氯氣

2KMnO4+16HCl（濃）

2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2） 磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷

2P+3Cl2點(diǎn)燃2PCl3

（3） 磷在充足的氯氣中燃燒生成五氯化磷

2P+5Cl2點(diǎn)燃2PCl5

（4） 反應(yīng)剩余的氯氣被氫氧化鈉溶液吸收

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

（5） 磷的氯化物的水解

① 三氯化磷的水解反應(yīng)

PCl3+3H2OH3PO3+3HCl

② 五氯化磷的水解反應(yīng)

PCl5+4H2OH3PO4+5HCl

6? 實(shí)驗(yàn)用品

吸濾瓶（500mL）1個、大功率激光筆（2W）1支、具支試管（2×20cm， 1.5×15cm）各1支、一次性注射器（50mL）1支、大號氣球1個、3號單孔橡膠塞1個、3號橡膠塞1個、6號雙孔橡膠塞1個、直角玻璃管2根、細(xì)線、硬質(zhì)橡膠管若干

高錳酸鉀晶體、濃鹽酸（37%）、干燥紅磷、10%氫氧化鈉溶液、濃硫酸（98%）、干燥細(xì)沙等

7? 裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

A濃鹽酸20mL;B濃硫酸5mL;C高錳酸鉀晶體5g;D氣球;E激光束;F激光筆;G氫氧化鈉溶液;H氯氣;I紅磷;J細(xì)沙層0.3cm

圖4? 實(shí)驗(yàn)裝置

8? 操作過程及現(xiàn)象

（1） 首先按照實(shí)驗(yàn)裝置（如圖4所示），將儀器組裝、連接好，所用藥品填裝好。

（2） 用力下推一次性注射器的活栓，使?jié)恹}酸慢慢滴入盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內(nèi)，反應(yīng)立即進(jìn)行[2KMnO4+16HCl（濃）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O]，生成的氯氣通過另一支具支試管內(nèi)的濃硫酸干燥后進(jìn)入吸濾瓶內(nèi)。

（3） 當(dāng)吸濾瓶內(nèi)有淡淡的黃綠色氯氣時，用激光筆的綠色光照射紅磷，紅磷在氯氣中立即燃燒（2P+3Cl2點(diǎn)燃2PCl3），發(fā)出白光，并在吸濾瓶的內(nèi)壁上有水珠狀無色的液體產(chǎn)生，此無色的液體即為三氯化磷。

（4） 繼續(xù)用力下推一次性注射器的活栓，當(dāng)吸濾瓶內(nèi)有大量黃綠色氯氣時，紅磷繼續(xù)燃燒，并可發(fā)現(xiàn)有白煙生成（2P+5Cl2點(diǎn)燃2PCl5），然后附著在瓶壁上，由此說明當(dāng)氯氣充足時生成了五氯化磷的晶體。

（5） 紅磷燃燒結(jié)束后，停止向盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內(nèi)加入濃鹽酸，吸濾瓶內(nèi)逸出的氯氣被氣球內(nèi)的氫氧化鈉溶液吸收（Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O）。

（6） 向吸濾瓶內(nèi)注入氫氧化鈉溶液，將生成的三氯化磷、五氯化磷吸收（PCl3+6NaOHNa3PO3+3NaCl+3H2O、 PCl5+8NaOHNa3PO4+5NaCl+4H2O）。

9? 幾點(diǎn)說明

（1） 實(shí)驗(yàn)所用的紅磷也可用白磷代替，效果也佳。

（2） 用濃硫酸干燥氯氣可以保證紅磷與干燥的氯氣發(fā)生反應(yīng)生成磷的氯化物，不至于發(fā)生水解而干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3） 吸濾瓶底部的干燥細(xì)沙層起到隔熱的作用，防止紅磷燃燒時將瓶底燙裂，造成有毒氣體外泄，使實(shí)驗(yàn)失敗。

（4） 嚴(yán)禁用激光筆照射眼睛，以防造成燒傷。

10? 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)方案具有構(gòu)思巧妙、簡單易行、環(huán)保安全、現(xiàn)象明顯等諸多特點(diǎn)。通過課堂實(shí)驗(yàn)過程中的氯氣制備、激光點(diǎn)燃、紅磷燃燒、三氯化磷和五氯化磷的生成等，能夠有效地幫助學(xué)生解惑答疑，進(jìn)而增大化學(xué)理論的可信度，加深學(xué)生對有關(guān)知識的理解和記憶，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識，為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

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