王玉婷 王素琴 黎泓波 王彤彤

摘要：針對(duì)氯氣毒性大、易泄漏，以及與金屬反應(yīng)不易控制、產(chǎn)物檢驗(yàn)難等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)氯氣與鐵反應(yīng)過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行科學(xué)性、系統(tǒng)性地分析，將氯氣制備、性質(zhì)檢驗(yàn)與產(chǎn)物驗(yàn)證以及尾氣處理集中于一個(gè)密閉系統(tǒng)中，符合綠色環(huán)保理念。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作便捷及反應(yīng)現(xiàn)象明顯，不僅可以開展課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可以用于實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究;這有利于學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)直觀地了解氯氣的性質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。關(guān)鍵詞：氯氣;鐵;綠色化;集成化;實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2022）08-0094-04?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.020

一、問(wèn)題的提出

氯氣與金屬的反應(yīng)是學(xué)習(xí)氯氣性質(zhì)的重要內(nèi)容，具有很高的教學(xué)價(jià)值與意義。然而在實(shí)際教學(xué)中，往往由于氯氣的劇毒性、實(shí)驗(yàn)的成功率低等，許多教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)望而卻步。許多調(diào)研報(bào)告與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生的眼、手和腦三位一體協(xié)調(diào)性地參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)越多，化學(xué)知識(shí)掌握越牢固，也越能夠有效促進(jìn)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的形成[1]。因此，教師可以充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，將氣體的制備、性質(zhì)檢驗(yàn)以及尾氣處理設(shè)計(jì)銜接成相互關(guān)聯(lián)、相互支撐的系統(tǒng)。

該部分內(nèi)容在人教版[2]、蘇教版[3]、魯科版[4]三版教材中都有性質(zhì)以及化學(xué)方程式的呈現(xiàn)，其中蘇教版和魯科版還有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作步驟和結(jié)果的描述，不同的是魯科版還補(bǔ)充了相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的插圖，有利于學(xué)生獲得直觀的體驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)操作步驟上來(lái)看，雖然教材上所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作便捷，但存在以下問(wèn)題：（1）氯氣需要提前制備，存在逸散污染以及由于逸散使得氯氣濃度降低導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的可能;（2）沒有對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證;（3）沒有進(jìn)行尾氣處理。

針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)中的不足，不少教師和學(xué)者對(duì)鐵與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。比如實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鐵絲徹底紅熱所需時(shí)間較長(zhǎng)，而停止加熱又容易冷卻的問(wèn)題，有不少學(xué)者對(duì)如何增大鐵的受熱面積進(jìn)行改進(jìn)[5，6]。對(duì)于逸散污染以及尾氣處理問(wèn)題，許多學(xué)者將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為密閉環(huán)境并增加尾氣處理部分[7，8]。這些實(shí)驗(yàn)方案從不同角度進(jìn)行探究，使得實(shí)驗(yàn)在成功率、環(huán)保性和安全性等方面得到了提高，但是仍然存在一些問(wèn)題：（1）有的實(shí)驗(yàn)方案儀器較多，搭建不便，操作復(fù)雜，技巧性較高;（2）有的實(shí)驗(yàn)理論上密閉性良好，實(shí)際操作卻存在困難;（3）有的實(shí)驗(yàn)忽視了裝置內(nèi)殘余氯氣的處理。

基于此，筆者以氯氣與鐵反應(yīng)的過(guò)程與結(jié)果為導(dǎo)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究改進(jìn)。將氯氣的制備、與金屬反應(yīng)、產(chǎn)物驗(yàn)證以及尾氣處理集成化于一套密閉反應(yīng)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、步驟便捷和環(huán)境安全性高，能夠作為課堂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，有助于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維的完整性、系統(tǒng)性和高階性，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力與社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

二、鐵與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究

1.實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將氣體發(fā)生器、反應(yīng)器、尾氣處理三部分集成化，初步設(shè)計(jì)成如圖1-a所示裝置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn) KSCN 溶液會(huì)與 Cl2發(fā)生反應(yīng)生成硫氰（（SCN）2），無(wú)法驗(yàn)證產(chǎn)物FeCl3，而且裝置內(nèi)殘余的氯氣也無(wú)法處理。于是通過(guò)查閱文獻(xiàn)找到了Y管[9]和W 管，雖然整個(gè)儀器內(nèi)口徑相同，可以較好地處理裝置內(nèi)的氯氣，但是Y管實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1-b所示）操作技巧性較強(qiáng)，難以保證藥品能夠準(zhǔn)確添加，而W管（如圖1-c所示）雖然能夠準(zhǔn)確添加藥品，但是如果右端彎管處的反應(yīng)液過(guò)多，會(huì)截?cái)鄽怏w流通導(dǎo)致無(wú)法處理W管最左端的殘余氯氣。

李茂柯[10]利用 H 管設(shè)計(jì)了氯氣性質(zhì)檢驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)，左管制備氯氣，右管檢驗(yàn)性質(zhì)，整體裝置密封，無(wú)泄漏污染。周學(xué)工[11]利用 H 管設(shè)計(jì)了氯氣與銅反應(yīng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，在H管的右管管壁對(duì)銅加熱。因此，H 管能夠使相互聯(lián)系的不同反應(yīng)分開進(jìn)行，還能夠進(jìn)行加熱操作，能夠很好地契合本實(shí)驗(yàn)。據(jù)此選擇H管并設(shè)計(jì)了如圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置。

2.實(shí)驗(yàn)藥品的改進(jìn)

（1）氯氣制備的藥品選取

氯氣的制備方法在高中階段主要有MnO2與濃鹽酸、KMnO4與濃鹽酸、KClO3與濃鹽酸、NaClO與鹽酸這四種反應(yīng)，這四種原料所涉及的反應(yīng)方程式如下： MnO2+4HCl（濃） MnCl2+ Cl2↑+2H2O

2KMnO4+16HCl（濃）=2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O

KClO3+6HCl（濃）= KCl +3Cl2↑+3H2O

NaClO +2HCl = NaCl + Cl2↑+ H2O

由于MnO2與濃鹽酸反應(yīng)需要加熱，操作不便，所以從 KMnO4、KClO3和NaClO中進(jìn)行選擇。從綠色化學(xué)觀念出發(fā)，對(duì)三個(gè)反應(yīng)的原子利用率和環(huán)境因子進(jìn)行計(jì)算和比較。

原子利用率=[（目標(biāo)產(chǎn)物的量）/（按化學(xué)計(jì)量式所得產(chǎn)物的量之和）]×100%=[（目標(biāo)產(chǎn)物的量）/（各反應(yīng)物的量之和）]×100%

原子利用率（KMnO4）=[（5×71）/（158×2+36.5×16）]×100%=39.44%

原子利用率（KClO3）=[（3×71）/（122.5+36.5×6）]×100%=62.4%

原子利用率（NaClO）=[71/（74.5+36.5×2）]×100%=48.14%

環(huán)境因子=[廢棄物質(zhì)量（副產(chǎn)物質(zhì)量）（kg）/目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量（kg）]

環(huán)境因子（KMnO4）=[（74.5×2+126×2+18×8）/（5×71）]=1.54

環(huán)境因子（KClO3）=[（74.5+18×3）/（3×71）]=0.60

環(huán)境因子（NaClO）=[（58.5+18）/71]=1.08

通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，KClO3的原子利用率最高，環(huán)境因子最小，產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)物最少。但是筆者查閱資料了解到KClO3與濃鹽酸反應(yīng)還會(huì)生成ClO2，這是一種黃綠色到橙黃色的氣體，容易分解發(fā)生爆炸，所以最終選擇NaClO。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)NaClO與不同濃度的鹽酸均可反應(yīng)產(chǎn)生氯氣，但是本實(shí)驗(yàn)還需要在達(dá)到鐵單質(zhì)反應(yīng)溫度后，迅速產(chǎn)生與鐵能夠發(fā)生反應(yīng)的足量氯氣，因此選擇濃鹽酸與NaClO進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）鐵單質(zhì)材料的選取

鐵單質(zhì)的比表面積越大，反應(yīng)速率越快，為了得到最優(yōu)實(shí)驗(yàn)藥品，可以選擇鐵粉、鐵屑（可視為細(xì)小的鐵片）和鋼絲棉（可視為極細(xì)的鐵絲）分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從而獲得最佳藥品。

3.實(shí)驗(yàn)原理

濃鹽酸與NaClO反應(yīng)生成的氯氣與灼熱的鋼絲棉接觸時(shí)，生成棕褐色煙，迅速抽拉裝有KSCN溶液的注射器，可以觀察到注射器內(nèi)溶液由無(wú)色變血紅色。然后在H管的右管注入NaOH溶液中和鹽酸使反應(yīng)終止，并處理反應(yīng)體系中殘余的氯氣。其中涉及到幾個(gè)反應(yīng)，具體化學(xué)方程式為：

NaClO +2HCl = NaCl+Cl2↑+ H2O

2Fe +3Cl2 2FeCl3

FeCl3+3KSCN =3KCl + Fe（SCN）3

NaOH + HCl = NaCl + H2O

2NaOH + Cl2= NaCl+NaClO+H2O

4.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

H管（15 cm*9 cm*Φ2 cm）、3號(hào)橡膠塞、5 mL注射器3支、酒精燈、小氣球、短玻璃導(dǎo)管、鐵架臺(tái)、鑷子、膠頭滴管、濃鹽酸、鐵粉、鐵屑、鋼絲棉、次氯酸鈉固體、6 mol/L氫氧化鈉溶液、蒸餾水、0.1 mol/L硫氰化鉀溶液。

5.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）根據(jù)圖2連接實(shí)驗(yàn)儀器、組裝實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置氣密性。檢查裝置氣密性的方法為：用手握捏小氣球，若感到阻力，氣球存在回彈，則證明氣密性良好。

（2）向?qū)嶒?yàn)儀器中添加藥品。在三支注射器中分別加入濃鹽酸、6 mol/L NaOH 溶液以及0.1 mol/L KSCN 溶液備用。在 H 管的左管加入約1 g NaClO固體，然后滴加少量蒸餾水，使用玻璃棒攪拌，使其呈糊狀。用膠頭滴管在H管的右管滴加3 mL蒸餾水，用鑷子將鋼絲棉送入 H 管的中部。將帶注射器的橡膠塞塞在H管管口。

（3）點(diǎn)燃酒精燈加熱鋼絲棉3 min左右，使鋼絲棉呈黑紅狀態(tài)后再熄滅酒精燈，然后迅速向H管的右管注入濃鹽酸。

（4）觀察到 H 管中彌漫著棕褐色煙時(shí)，向上抽拉裝有KSCN溶液的注射器的活塞桿。

（5）反應(yīng)結(jié)束后向 H 管的左管注入 NaOH 溶液， NaOH溶液注射完畢后，可充當(dāng)氣泵，加快裝置內(nèi)氣體流通速度，盡可能多地將裝置內(nèi)多余的氯氣吸收。

6.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析

（1）不同形態(tài)的鐵單質(zhì)與氯氣反應(yīng)

不同形態(tài)的鐵單質(zhì)與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示。從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備來(lái)看，鐵粉和鐵屑顆粒小，容易掉落在 H 管兩側(cè)的管中，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，而鋼絲棉可以調(diào)節(jié)蓬松程度使其牢牢地固定在H管的中間，可操作性高。從加熱時(shí)間上來(lái)看，鋼絲棉<鐵粉<鐵屑。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上來(lái)看，雖然鐵粉的比表面積大，但因鐵粉間比較致密，與氯氣的接觸面積小，所以反應(yīng)現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間短、現(xiàn)象最不明顯，鐵屑次之，而鋼絲棉因?yàn)榕钏?，所以與氯氣能夠充分接觸，現(xiàn)象最為明顯。綜上所述，選擇鋼絲棉作為與氯氣進(jìn)行反應(yīng)的鐵單質(zhì)最合適。

（2）鋼絲棉與氯氣反應(yīng)

鋼絲棉加熱至紅熱后注入濃鹽酸，可以觀察到明顯的棕褐色煙，大約半分鐘后可以看到H管的右管中原本澄清透明的溶液變成黃色，說(shuō)明反應(yīng)產(chǎn)物——棕褐色煙溶于水中。趁 H 管的右管中彌漫著棕褐色煙時(shí)，向上抽拉裝有KSCN溶液的注射器桿，可以看到注射器內(nèi)原本無(wú)色透明的 KSCN溶液變?yōu)檠t色，說(shuō)明棕褐色煙中含有Fe3+，即氯氣與鐵在加熱的情況下生成了FeCl3。反應(yīng)結(jié)束后可以看到 H管壁附著大量黃色粉末固體，從顏色上也可以簡(jiǎn)單判斷產(chǎn)物是FeCl3。

7.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)與說(shuō)明

（1）必須等到鋼絲棉紅熱后再制取氯氣，進(jìn)行反應(yīng)，否則很難出現(xiàn)明顯的棕褐色煙現(xiàn)象，不利于學(xué)生觀察現(xiàn)象、進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）選擇高濃度的NaOH溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保證既能夠中和剩余鹽酸，還能吸收裝置中殘余的氯氣。

（3）鹽酸濃度不宜過(guò)低，否則無(wú)法迅速提供足量濃度的氯氣使反應(yīng)順利進(jìn)行，也不宜滴入過(guò)多鹽酸，否則NaOH溶液在中和剩余鹽酸后無(wú)法將裝置內(nèi)殘余的氯氣全部吸收。

（4）在冬天或者氣溫較低的地區(qū)，可以不移開酒精燈直接向H管的左管注入濃鹽酸，使鐵在持續(xù)加熱的條件下與氯氣發(fā)生反應(yīng)，以避免鐵冷卻過(guò)快導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

三、改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

1.綠色無(wú)污染。選擇原子利用率高、環(huán)境因子小的藥品在全封閉裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠防止氯氣泄漏，減少氯化鐵造成的空氣粉塵污染。注射器將反應(yīng)液注射完畢后，可充當(dāng)氣泵，促進(jìn)裝置內(nèi)氣體流通，幫助氯氣盡可能被吸收，達(dá)到較好的尾氣處理效果，實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)驗(yàn)綠色環(huán)保，關(guān)注師生身體健康，符合化學(xué)無(wú)污染綠色原則。

2.操作簡(jiǎn)便，演示性強(qiáng)，現(xiàn)象明顯。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，整套實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作便捷，實(shí)驗(yàn)從開始加熱到反應(yīng)結(jié)束只需要大約5 min，現(xiàn)象明顯，便于教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，也可用于教師指導(dǎo)下的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究。

3.成功率高。利用 H管將氯氣的制備、氯氣與鐵的反應(yīng)以及尾氣處理融于一套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，通過(guò)透明的H管可以觀察到鋼絲棉的加熱情況，便于準(zhǔn)確把控氯氣制備的時(shí)機(jī);選擇濃鹽酸與NaClO反應(yīng)，產(chǎn)生氯氣的速率夠快，能夠迅速提供反應(yīng)所需濃度的氯氣; H管中非完全干燥環(huán)境，而氯氣與鐵反應(yīng)在濕潤(rùn)條件比在干燥條件下更容易進(jìn)行[12]，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

四、結(jié)語(yǔ)

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)該充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。尤其是有關(guān)有毒物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，一方面要注意操作安全，另一方面，良好的教學(xué)示范能夠幫助學(xué)生樹立辯證的化學(xué)觀念，改變“聞化色變”的狀況。本實(shí)驗(yàn)以氯氣與鐵的反應(yīng)為例，基于“綠色化學(xué)”理念精心選擇NaClO與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣，無(wú)需加熱，能快速制取氯氣。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究選擇鋼絲棉進(jìn)行性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，具有很強(qiáng)的教學(xué)示范性，利于教與學(xué)質(zhì)量的提升。循環(huán)利用注射器使殘余氯氣能夠被完全吸收，實(shí)現(xiàn)有毒氣體零排放，符合綠色化學(xué)的環(huán)保理念。

參考文獻(xiàn)

[1]吳晗清，張巖.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的氣體制備及性質(zhì)的教學(xué)研究[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（3）：31-37.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.化學(xué)必修第一冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2019：42.

[3]王祖浩主編.化學(xué)必修第一冊(cè)[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2020：60.

[4]王磊.化學(xué)必修第一冊(cè)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：15-16.

[5]李燕.鐵與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2020，30（6）：33.

[6]闕榮輝，吳進(jìn)，吳鳳兮，熊言林.氯氣的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)綠色化設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2017，38（3）：68-69.

[7]郎慶利，王培明，齊俊林. 鐵與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的環(huán)保型設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)，2014，36（2）：41-42.

[8]宋志貴，陳春麗. 氯氣和金屬鐵、銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2011，33（6）：47.

[9]李猛，王世存. 氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)，2016，38（8）：60-63.

[10]李茂柯，盛林娟，伍曉春. 巧用H型試管改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)兩則[J]. 化學(xué)教學(xué)，2019，41（12）：58-60.

[11]周學(xué)工，戚金麗. 巧用石棉和注射器改進(jìn)銅與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[J]. 化學(xué)教與學(xué)，2019（12）：95-97.

[12]黃燕燕，宋巧穎，沈甸. 鐵與氯氣反應(yīng)途徑及產(chǎn)物的探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2017，39（8）：59-62.