王建芬+齊俊林

摘要：針對現(xiàn)行高中化學(xué)教材中氫氣在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)存在的不足，如有毒的氯氣和生成的氯化氫氣體容易外逸，污染室內(nèi)空氣；氫氣在氯氣中燃燒時(shí)發(fā)出的蒼白色火焰，可見度低，學(xué)生難以觀察火焰的顏色，實(shí)驗(yàn)效果差等。利用下口瓶、小細(xì)口瓶、干燥管、攝像頭、電腦和手機(jī)等構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)裝置，很好地解決了以上問題，收到了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：氫氣在氯氣中燃燒；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號：1005–6629（2016）11–0063–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題提出

現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]中的“H2在Cl2中燃燒”實(shí)驗(yàn)（如圖1所示），存在一定的不足，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，因瓶口敞開，集氣瓶內(nèi)有毒的氯氣和生成的氯化氫氣體容易大量外逸。其二，由于氫氣在氯氣中燃燒時(shí)發(fā)出蒼白色火焰，白燃燒”實(shí)驗(yàn)，解決了教材中原實(shí)驗(yàn)存在的實(shí)際問題。

2 研究現(xiàn)狀

針對教材中“H2在Cl2中燃燒”實(shí)驗(yàn)存在的不足，一些教師也曾對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)研究，但仍天做該實(shí)驗(yàn)可見度低，學(xué)生難以觀察火焰的顏色。其三，該實(shí)驗(yàn)制得氯氣（如圖2所示）和氫氣（如圖3所示）時(shí)還分別需要一套較為復(fù)雜的氣體發(fā)生器，無形地增加了教師實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的工作強(qiáng)度。針對以上問題，我們認(rèn)為有必要對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究和重新設(shè)計(jì)，研制一個(gè)較為合理的“H2在Cl2中然不盡如人意，例如：有的實(shí)驗(yàn)方法[2]雖然解決了污染問題，但難以觀察火焰的顏色（如圖4所示）；有實(shí)驗(yàn)方法[3]不僅火焰難以觀察，而且仍然需要復(fù)雜的氫氣和氯氣的制備系統(tǒng)（如圖5所示）。綜合目前化學(xué)研究現(xiàn)狀和教材中實(shí)驗(yàn)方法，我們對該實(shí)驗(yàn)開展了進(jìn)一步的研究工作，作了如下改進(jìn)設(shè)想和設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)理念

通過對“H2在Cl2中燃燒”實(shí)驗(yàn)的方法的研究和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決以下問題：（1）實(shí)驗(yàn)的污染問題；（2）氫氣在氯氣中燃燒時(shí)火焰難以觀察問題；（3）制備氫氣、氯氣的設(shè)備復(fù)雜問題，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究之目的。

4 設(shè)計(jì)方案

在小細(xì)口瓶內(nèi)裝入稀硫酸和鋅粒制得氫氣，待將瓶內(nèi)空氣排盡后點(diǎn)燃小瓶上的玻璃尖嘴逸出的氫氣，再將其放入容積為5000mL的下口瓶內(nèi)，使氫氣在瓶內(nèi)的空氣中安靜地燃燒。然后在下口瓶的下口處制備氯氣，氯氣逐漸向上擴(kuò)散，將空氣向上排出，當(dāng)火焰完全被氯氣淹沒時(shí)，氫氣又在氯氣中安靜地燃燒，通過暗箱配合攝像頭、大屏幕等觀察火焰顏色的變化。生成的氯化氫氣體和未反應(yīng)的氯氣被潤濕的堿石灰顆粒吸收掉；利用注射器將氫氧化鈉溶液注射到瓶體內(nèi)，氫氧化鈉溶液可吸收掉剩余的氯氣和氯化氫氣體。

5 實(shí)驗(yàn)材料

下口瓶（外徑18cm，高33cm，上口內(nèi)徑5.5cm）1個(gè)、細(xì)口小玻璃瓶（容積30mL，最大外徑3.7cm，高7cm）1個(gè)、單球干燥管1支、玻璃尖嘴1個(gè)、塑料瓶1個(gè)、無底有蓋紙箱（20cm×20cm×35cm）1個(gè)、手機(jī)1個(gè)、攝像頭1個(gè)、筆記本電腦1臺(tái)、粗銅絲（40cm）1根、PVC穿線管直角彎頭1個(gè)、一次性注射器（20mL）2支、PVC穿線管（直徑2cm，長15cm）1根，14號、4號、2號（單孔）橡膠塞各1個(gè)，打孔器1套、圓木銼1把、鐵鉗1把、大號注射針頭1個(gè)、火柴1盒、橡膠管、透明膠帶、脫脂棉、絲口密封帶若干；濃鹽酸（37%）、高錳酸鉀晶體、顆粒狀堿石灰、30%氫氧化鈉溶液、鋅粒、40%稀硫酸、冷水。

6 儀器制作

6.1 氯氣發(fā)生器的制作

取一個(gè)4號橡膠塞，用打孔器、圓木銼在其中央打一個(gè)大孔（直徑略小于PVC管的外徑），將該膠塞穿在15cm的PVC管的一端，在PVC管的另一端纏繞上絲口密封帶后裝上PVC穿線管直角彎頭（如圖6所示）；取一個(gè)2號橡膠塞，從其大頭端穿入1根大號針頭，在針頭上裝入一次性注射器，然后將橡膠塞塞在PVC管帶膠塞的一端（如圖7所示）。

6.2 小吊瓶的制作

取1根粗銅絲，用鐵鉗將銅絲固定在細(xì)口小玻璃瓶的瓶頸上（如圖8所示）。

6.3 無底有蓋紙箱的加工

取1個(gè)無底有蓋的廢紙箱，在左側(cè)底部的中間打一個(gè)半圓的透孔（直徑4cm）；正面（面向人的一側(cè)）的偏下的位置裁剪下1個(gè)矩形條（5cm×12cm）；在紙箱的上蓋打一個(gè)較大的透孔（直徑8cm）；在矩形條下方打一個(gè)透孔（直徑3cm），最后，將矩形條紙板上邊用透明膠帶粘在紙箱上（如圖9所示）。

6.4 大膠塞的加工

取一個(gè)14號大膠塞，用打孔器在中央打一個(gè)透孔，在孔上裝一單球干燥管，從單球干燥管的下端穿入小吊瓶的粗銅絲（如圖10所示）。

7 實(shí)驗(yàn)方法及其現(xiàn)象

7.1 在氯氣發(fā)生器內(nèi)裝入藥品

取氯氣發(fā)生器，取下塞在一端且?guī)в凶⑸淦鞯南鹉z塞，用藥匙裝入10g左右的高錳酸鉀晶體于PVC管內(nèi)，然后將橡膠塞復(fù)原塞好；取下注射器，吸入20mL濃鹽酸，然后復(fù)原；將氯氣反應(yīng)器緩慢插入到下口瓶內(nèi)并塞緊橡膠塞（如圖11所示）。

7.2 氫氣的生成與點(diǎn)燃

在干燥管內(nèi)加入潤濕的堿石灰顆粒后，在細(xì)口小玻璃瓶內(nèi)加入4g鋅粒和20mL稀硫酸，在瓶口處塞上一團(tuán)脫脂棉，塞上帶有玻璃尖嘴的橡膠塞（如圖12所示），待產(chǎn)生的氫氣將小瓶內(nèi)的空氣排盡時(shí)，用火柴點(diǎn)燃，玻璃尖嘴處的氫氣立即燃燒（2H2+O2=點(diǎn)燃2H2O），發(fā)出淡藍(lán)色火焰，迅速將帶有細(xì)口小玻璃瓶的橡膠塞移到下口瓶的瓶口上方，使小瓶放入下口瓶內(nèi)，然后將塞子塞緊在下口瓶的瓶口處（如圖13所示）。

7.3 氫氣在氯氣中燃燒

迅速向內(nèi)推入注射器的注射栓，使?jié)恹}酸進(jìn)入到PVC管內(nèi)，濃鹽酸與高錳酸鉀晶體立即發(fā)生反應(yīng)，生成氯氣[2KMnO4+16HCl（濃）=2MnCl2+ 2KCl+5Cl2↑+8H2O]。因氯氣的密度大于空氣的密度，空氣被氯氣通過干燥管排出瓶體外，當(dāng)生成的氯氣淹沒火焰時(shí)，氫氣和氯氣發(fā)生反應(yīng)（H2+Cl2點(diǎn)燃=2HCl），產(chǎn)生的火焰從淡藍(lán)色變成蒼白色，瓶內(nèi)產(chǎn)生白色霧狀物質(zhì)。

7.4 增大實(shí)驗(yàn)的可見度

如果是白天做該實(shí)驗(yàn)，因氫氣在氯氣中燃燒發(fā)出的是蒼白色火焰，很難觀察到現(xiàn)象。為了增大可見度，使觀察者或?qū)W生都能看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以將加工好的紙箱套在瓶體上，使整個(gè)下口瓶裝在一個(gè)暗箱里（如圖14所示）。若在近前觀察時(shí)，向上掀開矩形條紙板，用肉眼可觀察到蒼白色火焰（如圖15所示）；若在教室里為全班學(xué)生演示，可將攝像頭插入暗箱圓孔內(nèi)，通過大屏幕讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖16所示）；倘若學(xué)生不在同一個(gè)地點(diǎn)，教師還可以讓手機(jī)的攝像頭對準(zhǔn)圓孔內(nèi)的蒼白色火焰，通過QQ群或QQ視頻向?qū)W生播放（如圖17所示），實(shí)驗(yàn)效果相當(dāng)好。

8 幾點(diǎn)說明

8.1 使用下口瓶的目的

選擇容積較大的下口瓶做此實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠腥齻€(gè)：一是利用下口瓶特殊的形狀，無需加工即可作為氫氣在氯氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置，并且還不需要鐵架臺(tái)等固定裝置，簡單易行；二是利用較大的瓶體容積，氫氣在空氣中燃燒時(shí)間較長，可獲得氯氣的產(chǎn)生和將空氣排出的充裕時(shí)間，避免因缺氧而過早熄滅，造成實(shí)驗(yàn)失??；三是利用下口瓶較大的瓶口，便于選擇和向里面放置小吊瓶。

8.2 脫脂棉的作用

小吊瓶頸放置脫脂棉團(tuán)的目的也有兩個(gè)：其一，可以吸水，起到干燥氣體的作用；其二，可以得到平穩(wěn)的氫氣流，使燃燒時(shí)間可以持續(xù)10min左右。

8.3 干燥管的作用

8.4 小細(xì)口瓶以及玻璃尖嘴的要求

在選擇小細(xì)口瓶時(shí)有兩個(gè)要求：一是要求瓶的最大外徑不能大于下口瓶瓶口的內(nèi)徑；二是細(xì)口瓶的高度與尖嘴高度之和越低越好（小瓶高度7cm，玻璃尖嘴高度2cm，總高度9cm），這樣生成的氯氣可迅速將氫氣在空氣中燃燒的火焰淹沒，縮短等待實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

8.5 與現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合

使用手機(jī)和攝像頭不僅可以擴(kuò)大可見度，而且與現(xiàn)代通訊器材、信息手段有機(jī)結(jié)合起來，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

8.6 實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)裝置取材容易，制作簡單，現(xiàn)象明顯，通過實(shí)驗(yàn)可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和環(huán)保意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社化學(xué)室編著.全日制普通高級中學(xué)教科書·化學(xué)（第一冊）（必修）[M].北京：人民教育出版社，2003：65.

[2]侯立平，齊俊林，王培明.氫氣在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的封閉式裝置[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（11）：48～49.

[3]劉洪運(yùn).氫氣在氯氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2006，（10）：44～45.