吳佳鑫，丁浩棟，吳嘉欣，梁永鋒

(寧夏師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 固原 756000 )

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確提出，普通高中化學(xué)教育教學(xué)過程中，要全面發(fā)展學(xué)生的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[1]?；瘜W(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)既是化學(xué)科學(xué)賴以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)化學(xué)科學(xué)知識(shí)是否正確的真理性標(biāo)準(zhǔn)。因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是化學(xué)課程教學(xué)中的重要構(gòu)成內(nèi)容，同時(shí)也是實(shí)施化學(xué)教學(xué)的重要途徑。化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等化學(xué)核心素養(yǎng)，尤其是對(duì)學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的初步方法和技能具有重要價(jià)值。通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生形成化學(xué)概念，理解和鞏固化學(xué)知識(shí)，獲得實(shí)驗(yàn)技能，而且通過有計(jì)劃地、周密地、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和通過分析、推理、判斷等思維活動(dòng)，有利于學(xué)生的觀察能力、想象能力、記憶能力和思維能力培養(yǎng)。

“氯及其化合物”是“物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化”無(wú)機(jī)物性質(zhì)主題大概念下非金屬及其化合物的核心知識(shí)之一。江蘇鳳凰教育出版社2020年6月出版的《普通高中化學(xué)教科書必修》第一冊(cè)和人民教育出版社2019年4月出版的《普通高中化學(xué)教科書必修》第一冊(cè)中均選編了氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法及性質(zhì)[2-3]。高中化學(xué)中通過氯氣的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，促使學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)得到發(fā)展，也將使學(xué)生的宏觀辨識(shí)與微觀、變化觀念與平衡思想等化學(xué)核心素養(yǎng)得到提升。為保證高中化學(xué)教學(xué)中氯氣制備演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，為中學(xué)化學(xué)教師和學(xué)生提供多樣化的實(shí)驗(yàn)室制備氯氣的方法，開展實(shí)驗(yàn)室制備氯氣實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)具有非常重要的意義。

1 用二氧化錳與濃鹽酸共熱制氯氣的缺陷

2 過硫酸鉀制取氯氣的原理及可行性

2.1 過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的原理

過硫酸鉀與鹽酸的反應(yīng)為：

2.2 過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)作制取氯氣可行性

3 鹽酸最低濃度及反應(yīng)速率探索

3.1 實(shí)驗(yàn)試劑及主要儀器

K2S2O8，HCl(38%)，KCl飽和溶液，分液漏斗，250 mL 圓底燒瓶，酒精燈，鐵架臺(tái)，125 mL 的集氣瓶，NaOH溶液。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)根據(jù)教科書中氯氣制備及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)所需要的氯氣，初步實(shí)驗(yàn)過程中每次取38%(12 mol·L-1)的鹽酸 12.6 mL，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案中規(guī)定的鹽酸濃度加入計(jì)量的蒸餾水，使之達(dá)到規(guī)定的濃度與 10 g K2S2O8反應(yīng)。

2)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用 125 mL 集氣瓶計(jì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)室用過硫酸鉀與鹽酸制取氯氣裝置

3)實(shí)驗(yàn)開始用酒精燈加熱至過硫酸鉀固體完全溶解后停止加熱，并撤去酒精燈。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

4 最佳條件的確定

4.1 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確定

本實(shí)驗(yàn)選定Cl2產(chǎn)率和生成Cl2時(shí)間為指標(biāo)，再綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣。

指標(biāo)1：Cl2產(chǎn)率是本實(shí)驗(yàn)考核的主要指標(biāo)，占70%；

指標(biāo)2：Cl2產(chǎn)生時(shí)間作為本次實(shí)驗(yàn)的次要指標(biāo)，占30%。

以3.3節(jié)中用38%HCl與水體積比1∶7(1.5 mol·L-1鹽酸)收集1瓶氯氣(125 mL)所用時(shí)間 90 s為100分。在此基礎(chǔ)上，時(shí)間每延長(zhǎng) 20 s 減10分，每減少 20 s 加10分。

4.2 實(shí)驗(yàn)因素、水平的選定

本實(shí)驗(yàn)選擇的因素有：過硫酸鉀的質(zhì)量、38%鹽酸與水的體積比、38%鹽酸的體積。每個(gè)因素分別選取三個(gè)不同水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

4.3 實(shí)驗(yàn)方案及其結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)是三因素三水平實(shí)驗(yàn)，選用L9(34)正交表安排實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案及其結(jié)果分析見表3。

5 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)表明,用過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣的最佳條件是A2B1C1,即取 10.15 g 氯酸鉀放入圓底燒瓶中,用分液漏斗加入 11.6 mL 38%的鹽酸,按照VHCl∶VH2O=1∶6用蒸餾水稀釋。在此條件下反應(yīng)速率適中,收集到的氯氣得率比較高,而且收集到的氯氣完全可以滿足探究氯氣化學(xué)性質(zhì)的要求。

2)綜合分析表明,用過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣在所選定的因素、水平范圍內(nèi),各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系為:

3) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)制取氯氣,避免了二氧化錳與濃鹽酸共熱制取氯氣實(shí)驗(yàn)中的缺陷,同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中沒有白霧產(chǎn)生,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,反應(yīng)速率適中,完全滿足了課堂演示和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的要求。因此,建議高中化學(xué)教學(xué)中選用過硫酸鉀與鹽酸反應(yīng)制取氯氣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂演示和學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

4) 此方法也為實(shí)驗(yàn)室制取氯氣提供了一種新的途徑。