书城科普读物动手做实验丛书--非金属实验改进设计实践
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第4章 关于次氯酸的实验操作和改进设计

次氯酸分解实验装置的改进

高中化学氯水分解实验装置有三个明显的不足:(1)药品用量大,(2)由于圆底烧瓶瓶口较大,使得瓶内的氯水与水槽中的水相互扩散,反应生成的部分氧气会逸出瓶外;(3)产生的氧气不便检验。为此,上海梅陇中学夏家骥老师将以上装置和实验操作作了如下改进:将新制氯水注入25ml酸式滴定管内,用拇指按住滴管定上口,将其倒插到烧杯内的饱和食盐水中,然后将酸式滴定管固定在滴定管夹上:

将整个装置放置在日光下,半小时左右就看到大量微气泡产生,3小时后收集到30ml左右的气体。再用拇指按住滴定管上口,移出饱和食盐水,气泡上升并聚集在上口附近的管内,将带火星的细卫生香伸入管内,卫生香立即复燃,证明产生的气体是氧气。

氯气漂白实验的改进

高中化学课本中,次氯酸使有色布条褪色实验,因装置复杂,操作不便,在教室中很难进行,江苏省铜山县茅村中学韩文元老师介绍可用下面装置进行实验,效果很好。

装置的配制

将一支18×180mm的试管底部打破成一小孔,试管底部填入少许玻璃丝(以防无水氯化钙漏出),玻璃丝上面装入少许块状无水氯化钙(以干燥氯气),试管口用橡皮塞塞紧,试管插入和250ml集气瓶配套的橡皮塞或塑料塞中。

氯气的制备

向250ml的集气瓶中,先加入一药匙KClO3晶体,再用胶头滴管加5ml浓HCl,用毛玻璃片盖好瓶口,集气瓶内立即充满黄绿色的氯气。

该反应不需加热,反应式为:

6HCl(浓)+KClO3=KCl+3Cl2↑+3H2O氯气的漂白

将一个经烘干(或晒干)的有色布条或红纸条,放入已装入无水CaCl2的试管中,塞紧橡皮塞,在另一相同装置的试管中,放入用水湿润的有色布条或红纸条,用橡皮塞塞紧,然后将两支试管,同时放入制备好的两瓶氯气集气瓶中,将瓶塞塞紧。过几分钟观察,湿润的有色布条或红纸很快褪色(若将润湿的色布或红纸直接放入集气瓶中,立即褪色),而干燥的有色布条或红纸不褪色。

结论:干燥的氯气不能漂白干燥的有机色质,氯气可使湿润的有机色质漂白,实质上是氯气跟水反应产生的次氯酸的作用,次氯酸能使染料和有机色质氧化而褪色。

次氯酸盐与酸的反应

次氯酸是一种酸性很弱,氧化性很强的酸。当次氯酸钙或次氯酸钠的溶液与稀硫酸反应时,能生成次氯酸。其离子方程式是:

ClO-+H+=HClO(1)该反应的平衡常数K1等于次氯酸的电离常数(295×10-4)的倒数,其值为339×107。

次氯酸钙或次氯酸钠的溶液与盐酸反应时,可生成氯气,其反应的离子方程式为:

ClO-+2H++Cl-=Cl2↑+H2O(2)依据计算氧化——还原反应平衡常数的公式:

lgK=n(E0-+E0-)00592(3)可求得反应(2)的平衡常数:

lgK2=1×(163-1358)00592(4)K2=393×104式(4)中163伏和1358伏分别为电对ClO-/Cl2和Cl2/Cl-的标准电极电位。

反应(2)构成原电池的正极半反应为:

ClO-+2H++e12Cl2+H2O负极半反应为:

Cl2+2e2Cl-(6)当ClO-的浓度为01mol·dm-3,Cl2的分压为101325kPa,正极的电极电位等于负极的电极电位时,反应达到化学平衡状态。根据奈斯特方程式可计算出平衡状态时H+的浓度:

1358=163+005921lg01×[H+]2(101325101325)1/2(5)计算得到[H+]为0016mol·dm-3。

由此可见,在[H+]大于0016mol·dm-3时,ClO-与Cl-发生高低价反应的趋势很大,ClO-几乎能全部转变为单质氯。

漂白粉是次氯酸钙和氯化钙的混合物,漂白液是次氯酸钠和氯化钠的混合溶液。二者同稀硫酸反应时,最终产物几乎全部为氯气,其反应为:

Ca(ClO)2+CaCl2+2H2SO4=2CaSO4+2Cl2↑+2H2O(6)NaClO+NaCl+H2SO4=Na2SO4+Cl2↑+H2O(7)所生成的单质氯可同KI溶液反应,生成单质碘。后者能与硫代硫酸钠溶液反应。因此,可用碘量法测定漂白粉中的有效氯。其反应为:

2KI+Cl2=2KCl+I2(8)I2+2Na2S2O3=2NaI+Na2S4O6(9)在稀H2SO4介质中,漂白粉的漂白机理可认为生成了强氧化性的中间产物——次氯酸,它可氧化有色物质,使其褪色。其反应为:

Ca(ClO)2+H2SO4=CaSO4+2HClO(10)但是这个反应不能用于制取次氯酸溶液。

次氯酸溶液的制法

将新沉淀的HgO与氯气的水溶液一起摇动,滤去棕色的碱式氯化汞,可得到次氯酸溶液。其反应为:

2HgO+H2O+2Cl2=HgO·HgCl2↓+2HClO(11)将氯气通入含CaCO3的水中,也可制得次氯酸。其反应为:

2Cl2+H2O+CaCO3=CaCl2+CO2↑+2HClO(12)蒸馏反应混合物,可得到纯的次氯酸溶液。

由于次氯酸不稳定,故纯的次氯酸至今尚未制得。

次氯酸盐与盐酸反应产物的验证

在试管中加入新制得的漂白粉或漂白液的溶液,逐滴加入2mol·dm-3的HCl溶液,并在试管口放置湿润的淀粉碘化钾试纸。片刻后,试纸变蓝,说明有氯气产生。向试管中滴加一滴稀的品红溶液或放入一朵鲜艳的红花,结果红色褪去,说明有次氯酸生成。

待反应结束后,向试管中通入空气,以赶去溶液中的氯气。然后,向此试管中滴入稀的品红溶液或放入鲜艳的红花,放置1分钟,结果红色未消失,说明溶液中既不存在氯气,也不存在次氯酸。

综上所述,虽然次氯酸是强酸,利用漂白粉与稀酸反应,生成强氧化剂次氯酸可解释漂白机理。但是,漂白粉与稀盐酸或稀硫酸反应的最终产物是氯气,而不是次氯酸。

制取氯气实验的改进

高一化学(必修)第一章中氯气的实验室制法的实验[实验1-8],在制取氯气时,存在着一个问题:氯气的扩散,即收集氯气时的扩散以及制取所需的氯气后气体发生装置中残余氯气的扩展。怎样才能使氯气的扩散减少呢?贵州省三都民族中学谢志详、陕西师范大学化学系詹汉英老师经过摸索,对此实验作了一点改进,使氯气的扩散得到了较好的控制。

实验装置改进之处为:①烧瓶改用蒸馏烧瓶;②气体发生装置、收集装置、尾气吸收装置间用一三通玻璃导管连接;③蒸馏烧瓶处的双孔塞中的一孔插入一长约为10cm的玻璃管,用乳胶管套住;④气体收集所用的集气瓶盖改为一圆铁片并在其圆周边上剪出一孔,孔径与玻璃导气管大小接近。各玻璃导气管连接处均用止水夹将乳胶管夹住。

实验操作如下:实验开始时,将A,B两处关闭,打开C处止水夹,加热,待烧杯中导气管出口处的气泡连续均匀放出时,将C关闭,打开B,集气瓶即可收集到氯气。当氯气集满后(用湿润的淀粉碘化钾试纸检验),打开C,关闭B,氯气可通过导气管进入烧杯中被NaOH溶液吸收;再继续收集时,可又打开B,关闭C。所需的氯气收集好后,关闭B,C,移走酒精灯,将吸有15%NaOH溶液的滴管插入A处乳胶管内,打开A处止水夹,挤压滴管,使NaOH溶液进入烧瓶中,以中和没有反应的盐酸和吸收瓶内未排出的氯气。因一次滴入的NaOH溶液的量不够,故要再滴入2或3次,当再滴入NaOH溶液时应关闭A,否则仍有氯气从A处逸出。

集气瓶盖不用玻璃片而改用圆铁片并在铁片圆周上剪一孔,一是因为玻璃片开成圆孔不容易加工,二是铁片圆周剪出一孔后,导气管可沿孔插入瓶中,减少玻璃片、导气管、集气瓶口之间的间隙,从而减少氯气的扩散。

不会污染空气的氯气实验装置

操作(以Cl2的实验为例说明)(1)在一试管的外壁裹一张滤纸,并在上端用一根橡皮圈将滤纸固定在试管上。

(2)在滤纸上滴试液,并使试液在滤纸上扩散至直径1厘米,从上至下依次滴石蕊试液红墨水、淀粉KI试液、NaBr试液,在试管中加入饱和NaOH溶液20毫升,作为尾气的吸收剂。

(3)将制Cl2所需固体药品KClO3约1克,小心地放入广口瓶底部,再往瓶中加入4至5毫升浓盐酸,此时瓶中产生Cl2(但不会立即逸出瓶口处)。

(4)小心而迅速地将上述试管放入广口瓶中,塞紧瓶塞观察现象。

(5)观察完实验现象后,将广口瓶倒转使试管中液体流入瓶中,再将瓶子顺放于桌子上约过十分钟,Cl2被吸收完,可清洗仪器。

现象

(1)瓶中可见Cl2的黄绿色(2)滴NaBr液的地方出现橙红色(3)滴淀粉KI液处先变蓝色后又褪色(首先Cl2+2I-=I2+2Cl-接着5Cl2+I2+6H2O=2HIO3+10HCl)(4)滴红墨水处红色褪去(5)滴石蕊试液处先变红很快就又褪色,(先是Cl2与H2O反应生成的盐酸使石蕊变红,接着HClO又使之褪色)。

氯气快速制法的改进

山东日照第一中学化学实验室娄善平、杜宗文、孙开芳老师的改进设计如下:

实验原理

2KMnO4+16HCl=2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑实验仪器与药品

分液漏斗(125ml)、抽滤瓶(500ml)、水槽、乳胶管、玻璃导管、集气瓶(100ml,50只)。KMnO4、浓盐酸、饱和食盐水,饱和NaOH溶液。

实验内容与步骤

(1)将整套仪器装置好,检查装置的气密性。

(2)在抽滤瓶中装入5~6药匙KMnO4,重新将仪器装置好,再在分液漏斗中倒入约120ml浓盐酸。

(3)将分液漏斗中的浓盐酸缓缓地滴入抽滤瓶中的KMnO4晶体上,待抽滤瓶中的空气被氯气排空之后,开始收集氯气(约收集5000ml)。

(4)收集完氯气之后,将导气管口放在NaOH溶液中,使多余的气体溶于NaOH溶液中,防止排入大气造成污染。

实验特点与说明

(1)此装置实验操作简单,无须加热,盐酸挥发少,气体产量大,便于为多个教学班(可达10个班)同学准备《氯气》这一节的演示实验。

(2)抽滤瓶与分液漏斗间侧管的连接,使分液漏斗与烧瓶内压强相等,从而可使漏斗内浓盐酸能顺利地滴入烧瓶内,并防止了烧瓶内氯气从分液漏斗的长颈中逸出进入分液漏斗,造成氯气的泄漏。

(3)浓盐酸的滴加不能太快(应逐滴加入),也不能加热,防止反应剧烈生成Cl2O7(Cl2O7易分解造成爆炸)。

余氯吸收的改进

①浓盐酸②MnO2③Cl2④活性炭、玻璃丝、消石灰⑤木块在实验室中,用二氧化锰和浓盐酸共热制取氯气时,常用浓氢氧化钠溶液来吸收余氯。当停止加热时,由于烧瓶内温度在反应后逐渐降低,会产生负压,往往使氢氧化钠溶液产生倒吸现象。江苏泰兴中学徐开建老师介绍如果改用在集气瓶塞上连接一U形管,内装多层活性炭、玻璃丝、消石灰,层层间隔,这样,余氯就被管内的活性炭和消石灰吸收掉,不会跑逸到空气中来,避免了倒吸现象的发生。用此装置还可说明滤毒罐的滤毒原理。在第一次世界大战中,俄国化学家泽林斯基为了挽救数以万计的士兵的生命,发明了在药罐里填装活性炭,以除去空气中氯气的方法,就是最初的防毒面具。