袁君亞

摘要： 分析次氯酸漂白作用實驗的不足和研究現(xiàn)狀，利用雙翼試管設計次氯酸漂白作用實驗的新裝置。經多次試驗和改進，新裝置集氯氣制備、干燥、漂白、尾氣處理于一體，使實驗具有試劑微量化、操作簡便化、反應同步化以及密封可控、環(huán)保安全、易推廣等優(yōu)點。利用該裝置還可推廣應用于其他若干化學實驗。

關鍵詞： 雙翼試管; 次氯酸漂白作用; 實驗裝置設計; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）05006505

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

雙翼試管是在普通試管兩側加上兩個對稱的小試管，形似飛機雙翼的一種玻璃儀器。三個試管相互獨立，氣體相通，可進行單個反應，也可同時進行兩個或三個反應，適用于固固反應、固液反應、液液反應，加熱或不加熱均可以，美觀方便，適合教師演示實驗、學生分組實驗和探究實驗，更方便設計對照實驗。次氯酸漂白作用的探究是氯氣性質中的一個經典實驗，在課堂演示時需要制備干燥氯氣，裝置復雜，耗時比較長，同時氯氣容易逸散。筆者嘗試利用雙翼試管進行實驗改進，使試劑耗量少，反應時間短，無氯氣逸散且操作簡便，實驗現(xiàn)象對比更加鮮明。

1 問題的提出

1.1 教材實驗裝置分析

蘇教版《化學1》第43頁實驗1： 將干燥的有色布條和濕潤的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中[1]，觀察現(xiàn)象。首先，教材設計對照實驗，能培養(yǎng)學生仔細觀察、積極探究的實驗能力，對二氧化硫漂白作用的學習有鋪墊和對比作用;其次，能引導學生依據(jù)實驗事實，分析證據(jù)和推理論證。

但在實際教學中，還存在一些需要改進的地方。

（1） 氯氣準備： 實驗需要事先準備干燥的氯氣，而氯氣的制備需要在通風櫥內進行，我校是一所普通的農村高中，化學實驗條件相對落后，通風設備陳舊，只能將該實驗改成演示實驗驗證，或以視頻來代替。為避免氯氣制備的繁瑣，也有教師在課前預先制得干燥氯氣，帶進化學實驗室進行學生分組實驗或探究實驗。總之，該實驗對通風要求較高，使學生的分組實驗受到一定的限制。

（2） 儀器組裝： 包括氯氣的制備、氯氣的干燥和收集、次氯酸的漂白和尾氣的處理，裝置復雜，組裝時間過長，導致實驗課時緊張。

（3） 尾氣處理： 教材中明確用氫氧化鈉溶液吸收多余的氯氣，但實驗結束后殘留在裝置和集氣瓶中的氯氣無法被氫氧化鈉溶液完全吸收。

（4） 氯氣濃度： 對照實驗在兩個集氣瓶中進行，是兩個獨立的體系，不能保證氯氣濃度完全相同，忽視了對照實驗中氯氣濃度對反應的影響。

1.2 研究現(xiàn)狀及分析

近年來，一線教師不斷對該實驗進行改進和優(yōu)化，取得了一定的成效。例如，有從簡化裝置、減少藥品用量考慮的（見圖1）[2];有從氯氣制備到氯氣漂白、吸收一體化，減少尾氣釋放考慮的（見圖2）[3]，但兩者均沒有干燥氯氣，忽視了水蒸氣對實驗的影響;有從解決裝置的繁瑣和環(huán)境污染問題著手，設計在密閉的裝置里進行實驗，但忽略了U型管一側有海綿墊層干燥劑導致兩側氯氣濃度不一致，且若使用鮮花花瓣，雖然左側支管氯氣是干燥的，但花瓣中含有水分，一段時間后花瓣仍會褪色，若使用干花花瓣，右側支管花瓣褪色時間過長（見圖3）[4];有從操作方便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保、實驗趣味性、干燥氯氣等考慮，但步驟不算簡便，裝置不夠簡化，蘸水寫字容易模糊，水蒸氣蒸發(fā)對實驗也有一定的干擾（見圖4）[5]。上述實驗雖然有不少缺陷，但其設計思路和發(fā)散性思維，為后續(xù)研究提供了學習資源和借鑒。

1.3 裝置改進的設想

確定本次實驗創(chuàng)新設計的原則是裝置要密封、藥品用量要少、對環(huán)境無污染、氯氣要干燥且濃度相同、對照現(xiàn)象須明顯、操作要更簡便、反應時間要更短。

2 裝置的改進

2.1 初次改進

為保證對比實驗中氯氣濃度相同，筆者對實驗裝置進行了初步改進（見圖5）。

改進裝置堅持藥品少量的原則，由2個小藥瓶、2個小試管和1個小注射器等組成。1個小藥瓶底部為少量高錳酸鉀固體，代替二氧化錳可以快速制取氯氣，小注射器中有少量濃鹽酸;另一個小藥瓶盛有適量濃硫酸。兩個小試管分別裝有干燥的紅色紙條和濕潤的紅色紙條（為縮短反應時間，用吸水性更好的紅色皺紋紙代替紅色紙條），小試管導管口塞上浸有1mol·L-1 NaOH溶液的棉花團。利用該裝置進行多次試驗，可以觀察到小試管中濕潤的紅色紙條很快褪色，干燥的紅色紙條無明顯變化。

該裝置取材方便，組裝簡單，能保證兩個小試管的氯氣濃度相同，但氯氣制備、濃硫酸干燥、次氯酸漂白實驗分別在不同裝置中進行。盡管濃鹽酸只使用了幾滴，但裝置中還是有殘留的氯氣，無法用NaOH溶液吸收干凈。

2.2 查閱資料

查閱文獻得知，實驗室若要得到干燥氯氣常常用濃硫酸作吸水劑。目前氯堿工業(yè)中氯氣常用濃硫酸干燥，但干燥工藝比較復雜，需要嚴格控制進塔氯氣冷卻溫度、出塔硫酸濃度、進塔硫酸濃度和溫度以及出塔氯氣溫度等工藝參數(shù)，同時選用效率較高的除霧過濾技術[6]。

呂華等人在“干氯氣中微量水分的分析方法探討”一文中提出用分析純五氧化二磷作水吸收劑[7];李海燕在“新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進”一文中采用無水氯化鈣作干燥劑[8]。

綜上所述，濃硫酸、無水氯化鈣、五氧化二磷等均可以干燥氯氣。無水氯化鈣為白色顆粒狀固體，因其干燥能力強、干燥速度快、使用更方便而被廣泛使用，一般用以填充干燥器、干燥塔以及干燥藥品和多種氣體。本實驗中的少量氯氣采用無水氯化鈣來干燥。

2.3 再次改進

能否找到更簡化的裝置，將氯氣的制備、干燥和次氯酸的漂白性實驗在同一裝置中完成？筆者受一線教師在化學改進實驗中使用的特殊形狀的儀器的啟發(fā)，如W形管、V形管、Y形管等，在淘寶網站上定制了雙翼試管（見圖6）。中間大試管外徑為25mm，長度為160mm，離大試管口50mm處的小試管外徑為20mm，長度為60mm，與大試管夾角為45°。大試管用于制備氯氣，兩側小試管用于盛放干燥紅色紙條和濕潤紅色紙條，將氯氣的制備和次氯酸漂白實驗合二為一。若需要向兩側小試管滴加液體，可以使用一支配套的彎頭滴管（見圖7），十分方便。為進一步減少試劑的用量，用膠頭滴管代替小注射器?？紤]到氯氣產生時裝置內壓強增大，橡皮塞容易彈開，在橡皮塞上插入一支帶有針頭的10mL注射器，既可以平衡氣壓，又可以收集多余的氯氣。為確保進入小試管的是干燥氯氣且氯氣濃度相同，在大試管下部，高錳酸鉀上方加一個多孔塑料片，上面放置用疏松棉花包裹的無水氯化鈣干燥劑。

用再次改進的裝置反復實驗，效果明顯，操作簡單，滴入濃鹽酸15秒左右，濕潤的紅色紙條開始褪色，干燥的紅色紙條不褪色。1小時后，干燥的紅色紙條仍然不褪色（使用前雙翼試管須干燥，避免雙翼試管中水蒸氣干擾實驗），實驗現(xiàn)象對比十分明顯。實驗結束后，用注射器抽取裝置中殘留氯氣，推入1mol·L-1氫氧化鈉溶液中吸收，但最后拆除裝置時，仍能聞到少量氯的氣味，顯然氯氣處理仍沒有徹底。

2.4 第三次改進

僅僅用注射器抽取還不能將殘留的氯氣全部從裝置中完全除盡，能否將氫氧化鈉溶液直接注入裝置中吸收氯氣？筆者利用針頭和注射器連接的靈活性，在反應結束抽取余氯后，迅速換成盛有氫氧化鈉溶液的注射器，可是大試管中的無水氯化鈣干燥劑仍阻隔其中。經嘗試，把無水氯化鈣顆粒分成等質量的兩份，用疏松棉花包裹成大小相同的形狀，用彎頭鑷子慢慢塞到兩側小試管上部，不僅保證兩個小試管中氯氣干燥，濃度相等，也順利將氫氧化鈉溶液注入裝置中吸收殘留的氯氣（見圖8）。

3 實驗儀器及操作步驟

3.1 實驗儀器與試劑

實驗儀器與試劑見表1。

3.2 操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。

（2） 在干燥的雙翼試管左右兩側小試管中分別加入大小合適的干燥的紅色皺紋紙，將其中一個紅色皺紋紙用水潤濕。

（3） 兩側小試管上部各塞一小團包裹有質量相同的無水氯化鈣的疏松棉花團。

（4） 用藥匙取少量高錳酸鉀晶體加入中間的試管中，將雙翼試管固定在鐵架臺上，用膠頭滴管吸取少量（約0.5mL）濃鹽酸，塞緊橡皮塞，連接好注射器。

（5） 從膠頭滴管中滴入濃鹽酸。

3.3 尾氣處理

反應結束后，用注射器抽取容器內殘留氯氣，拔下注射器，迅速接上裝有5mL 1mol·L-1的NaOH溶液的注射器，將堿液全推入反應容器中，輕輕振蕩，直至完全吸收殘留氯氣。拔下有氯氣的注射器放入盛有1mol·L-1NaOH溶液的燒杯中，慢慢吸進堿液除去氯氣。最后拆除裝置，雙翼試管中殘留藥品倒入指定容器中。

4 實驗的優(yōu)點

（1） 一體化。將氯氣的制取、干燥、次氯酸漂白、尾氣處理在同一裝置中進行，一氣呵成，反應連續(xù)性好。

（2） 簡便化。操作簡單，無需收集氯氣，現(xiàn)象明顯，靈活簡便，操作省時，從制備氯氣開始到實驗結束不到1分鐘，適合學生開展探究實驗和課堂演示實驗。

（3） 同步化。氯氣與干燥有色紙條和潮濕有色紙條的反應同時進行，次氯酸漂白作用對比現(xiàn)象明顯，可操作性強。

（4） 試劑微量化。裝置小巧便攜，整個實驗僅消耗少量的各種試劑（高錳酸鉀和濃鹽酸為幾?；驇椎危?，節(jié)約了成本[9]。

（5） 裝置全封閉。密閉可控，余氯吸收完全，不污染教室空氣，較安全環(huán)保。

（6） 儀器成本低。只需加工一個雙翼試管和一把彎頭鑷子，就可完成探究次氯酸漂白作用的實驗，適宜在學生分組實驗中推廣。

5 雙翼試管在化學實驗中的拓展應用

在高中化學中，還有很多實驗可以利用雙翼試管進行改進，見表2。

參考文獻：

[1]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（第5版）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 43.

[2]齊俊林， 趙立國. 次氯酸漂白作用演示實驗的改進[J]. 河北理科教學研究， 2011， （3）： 48～49.

[3]李賽秋. 次氯酸的漂白作用實驗的改進[J]. 教學儀器與實驗， 1997， （10）： 10.

[4][8]李海燕. 新課標下的氯氣漂白性質的實驗改進[J]. 化學教育， 2009， （10）： 68.

[5]李興， 齊俊林. 次氯酸漂白作用實驗的新設計[J]. 化學教學， 2018， （5）： 62～64.

[6]李風格. 氯氣干燥工藝流程選擇[J]. 氯堿工業(yè)， 2008， （12）： 17～19， 26.

[7]呂華， 郭樹志， 張柏祥. 干氯氣中微量水分的分析方法探討[J]. 氯堿工業(yè)， 2000， （3）： 41～42.

[9]李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進[J]. 化學教學， 2014， （5）： 55～57.