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第1章 关于氯气的实验操作和改进(1)

钠在氯气中燃烧实验的改进

课本上演示实验的缺点

(1)课前预先准备好的氯气往往到课堂上浓度不够;(2)钠预先在空气中点燃,在钠的表面生成的Na2O2影响Na在Cl2中燃烧;(3)在实验过程,由于Na不是在封闭式装置中燃烧,Cl2向外逸出,污染空气,同时空气进入集气瓶冲淡了Cl2的浓度和纯度。

改进后的装置图

安徽省肥东一中李克森老师的设计是:

实验步骤

(1)从瓶中取出一块金属钠(用滤纸吸干煤油),从中间取出黄豆大的银白色金属钠放入玻璃管中(在钠下面可放少许细砂或石棉丝或玻璃纤维,以防玻管破裂)装好。

(2)慢慢滴入浓盐酸(体积比8:1),立即剧烈反应产生Cl2,先排气,直至管内有足够Cl2(管内呈黄绿色时)。

(3)加热金属钠,钠熔化并开始燃烧,停止加热,继续通入Cl2直至反应完全(多余Cl2被NaOH溶液吸收)时停止通Cl2。

实验现象

钠在Cl2中剧烈燃烧,呈黄色火焰且有浓厚的白烟,反应停止看到在管壁上有白色固体附着。

改进后实验优点

(1)装置简单,操作方便,整个实验过程中保持Cl2具有一定浓度和纯度。避免副反应,实验现象明显。

(2)安全可靠,污染少。

注意事项

(1)应先将KMnO4研细,浓盐酸浓度为30%~34%(体积比为8:1)为宜,且要慢慢滴入,防止反应过于剧烈生成Mn2O7这种化合物易引起爆炸。

(2)随着反应的进行,反应混合物中水分逐渐增多,滴入的浓盐酸也被稀释,反应速度逐渐减慢,此时,可用小火加热,以加快反应,还能充分利用反应的中间产物MnO2,使它再与盐酸反应而产生Cl2。不过,Na在Cl2中燃烧不需要到这一步,反应已完全。

氢气在氯气中的爆炸极限

掌握氢气在氯气中的爆炸极限,对于做好氢、氯混和气体的光化学反应实验和安全利用该化学反应都有重要意义。MatheinP曾用镁光引爆测得氢气在氯气中的爆炸极限为98~528%(以下称文献值)。国内曾有人用废滴定管改制成测气管,重复实验,结果十分接近。因此,一般资料都认为混和气体中氯气的体积小于472%,镁光不使之爆炸。在多年的实践中,江西赣南师院田秀明老师发现,混和气体中氯气的体积为333%时,在阳光或镁光照射下都能引起爆炸。因此,笔者也用废滴定管做测气管,分别用阳光和镁光引爆,进行测定其爆炸极限实验,结果如下表所示。

实验结果表明,无论用阳光或镁光引爆,氢气在氯气中的爆炸低限的实际值与文献值相接近,但爆炸高限却大大超过文献值。由于阳光受天气影响,难以测得准确的爆炸极限,但在实验室中用镁光引爆受外界影响甚小,测得的爆炸范围应基本一致。因此,笔者认为,氢气在氯气中的爆炸极限应为90~775%。

实验状况如下:

收集氢氯的装置(见后):

实验步骤:

不同体积比的氢氯混和气体见光效应

氢气体积ml(或%)氯气。

体积ml(或%)照射阳光后的效应照射镁光后的效应:

16(80)184(920)纸壳掀起无爆炸声纸壳掀起无爆炸声17(85)183(915)纸壳掀起无爆炸声纸壳掀起无爆炸声18(90)182(910)纸壳掀起无爆炸声爆炸声音很响19(95)181(905)爆炸声音较响爆炸声音很响100(500)100(500)爆炸声音很响爆炸声音较响148(740)52(260)爆炸声音较响爆炸声音很响149(745)51(255)纸壳掀起无爆炸声爆炸声音很响152(775)45(225)纸壳掀起无爆炸声爆炸声音较响156(780)44(220)纸壳掀起无爆炸声纸壳掀起无爆炸声157(785)43(215)纸壳掀起无爆炸声纸壳掀起无爆炸声实验时间:2000年11月18-22日。

天气:前三天晴天多云,后两天阴天有小雨。

气温:13℃-15℃。

离爆炸处3米外能听到爆炸声。

(1)制取、混和氢气和氯气:

用排饱和食盐水法,在同一测气管里(可用废滴定管做成)收集一定量的氯气和氢气,用浸湿的硬纸壳片盖住管口,并用手指压紧。取出集气管,上下颠倒五次,停留30秒钟,让气体混和均匀。

(2)将混和气体照光:

用拇、食指拿住盛有混和气体的测气管下部,移至窗口照射阳光,观察结果。

将盛有混和气体的测气管置于避光处的试管架上,用坩埚钳夹一根15寸长的镁条在酒精灯上点燃,将点着的镁条移近测气管约2ml处,观察结果。

几点说明:

(1)为了保证收集的氢气和氯气的纯度,一定要待排完五倍于发生器容积的气体后再进行收集气体。

(2)为了保证使氯气和氢气混和均匀,应先收集密度较大的氯气,然后收集密度较小的氢气、收集后将测气管上下颠倒数次,停留一段时间。

(3)为了保证收集到一定体积的气体,尽可能一个个气泡地收集。收集1-2ml气体或临近刻度时,往往难以控制气流速度,可将气体发生器的活塞关闭,然后将橡皮管里的气体,一个一个气泡地挤入集气管,以达到所要求的气体体积。

在收集气体的过程中,应尽可能保持集气管内液面与水槽液面相一致,减少因压力差带来的体积误差(一般来说这种误差不大)。

(4)制取与混和气体应在避光处进行、以免受散射光影响而发生非爆炸性反应。

(5)用浸透饱和食盐水的硬纸壳片代替橡皮塞、软木塞、塑料片盖管口做实验,既安全又不漏气。

氢在氯中燃烧的无污染全回收连续快速微型实验装置

电解池:取U形管一支,内注饱和食盐水,两端用塑盖密闭。打孔后各投入导管及石墨电极,作为电解池,用作电解食盐水,以制氯与氢。辽阳市辽宁电子工业学校商桂英、李庆余老师的设计是:

点燃器:一只四口球瓶,其左、右、上三个瓶口用塞盖封牢,左口封盖插入两支导管,一支通气,一支通氯。通氢的一支玻璃管要长过四口瓶直径5~6cm,一端用软胶管链接。实验前预先将其传出右口封盖上的盲管,露出管端尖咀。上瓶口封盖插入一支用干燥管制作的导管。其内填入浸有氢氧化钠液的棉球数个。棉球上再置活性炭。其作用在于:当氯进入点燃器可排出器内空气,并保持常压。若充氯过猛欲吸防漏。

下瓶口用水槽水封。其作用:①为吸收氯与氢反应产物氯化氢,亦可保持器内常压;②起缓冲与安全阀作用,其可防止由于不慎使氯与氢达到自动爆炸时,爆裂球瓶;③盛载多次实验后“封水”已呈盐酸试剂回收之容器。

实验具体操作

实验时先在电解池中通入直流电(可用市电整流)电压宜在24~36V之间,进行电解食盐水制取氯与氢。电解反应方程式:

2NaCl+2H2O=电解2NaOH+Cl2+(阳极析出)+H2十(阴极析出)(1)由于左端电极接电池正极,呈\[阳极反应\]:2Cl一一2e=Cl2↑当Cl2沿导管进人点燃器球部,因其密度大于空气,所以将空气由导管排出。瓶中呈现淡黄绿色时,说明器内空气已殆尽,氯已充斥其间。“封水”虽可因反应耗去一些氯,生成盐酸与氯酸(Cl2+H2OHCl+HClO)。由于氯的不断涌人而不致影响氯的实验浓度。

(2)电解池右端电极接电池负极。呈\[阴极反应\]:2H2O+2e=H2++2O一所以H2沿软胶管导出,其尖咀玻璃管因预先已穿出点燃器的右封盖上的盲管。所以可在器外点燃或放空,因H2无味无毒。

点燃器内一旦呈现淡黄绿,迅即回彻已点燃的H2气导管。使尖咀部处于球部中心。(不然烧裂瓶体)故形成H2在Cl2中燃烧。现象十分明显。

燃烧产物呈雾状证明有HCl形成。其化学反应式:Cl2+点燃H2=2HCl十因HCl极易溶于水,生成盐酸故使器内压强不致骤增。

仍可继续维持H2在氯中燃烧。实验只需接通电源始,切断电源毕。操作十分简化便当。更重要是可连续重复数次,快速省事,又无污染。

本改进注意之点

(1)氯在点燃器中聚集初满,应及时回到已点燃的氢管进行与氯化合。不然由于导管中氯过多吸附剂失效;(2)H2管应先放空后点燃,以防混有空气而爆炸。(3)回彻氢管应立即将右封盖上所附的盲管用叉封闭,防漏溢。

本改进之优点

(1)装置简单易行,操作便捷,可控性强,无污染,不需预先制氯制氢。

(2)成本低廉,只需食盐。可省去高锰酸钾,二氧化锰,锌粒,盐酸等试剂的耗用。

(3)两项实验副产物:氢氧化钠,盐酸可作为试剂回收,尤对贫困地区中学非常重要。

(4)可连续轮回,复原快,观察时间可长可短,角度可任意,手续简便:只需接通,切断电源即可。

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