磷在氯氣中燃燒實驗裝置的新設計

張麗敏 劉枚 李興

摘要： 通過對磷在氯氣中燃燒實驗的一些研究實例的分析和討論，認為對該實驗有進一步研究和改進的必要性。利用吸濾瓶、具支試管、一次性注射器以及激光筆等器材，通過設計環(huán)保一體化的實驗裝置，減少氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒時對環(huán)境的污染，解決了教材中光有講述沒有實驗的實際問題，為培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和提高化學教學質量創(chuàng)造了條件。

關鍵詞： 紅磷; 氯氣; 燃燒; 實驗改進; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0065-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 問題提出

磷在點燃的條件下能與氯氣反應，是現(xiàn)行高中化學教材[1]中的重要知識點。教材中指出，磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷（PCl3），在過量的氯氣中燃燒生成五氯化磷（PCl5）。教材中光有這些理論知識，并沒有設計實驗加以驗證和說明。由于大多數(shù)教師缺乏有效的實驗手段，只能紙上談兵，常使學生感到枯燥無味，不利于培養(yǎng)學生的感性認識和科學素養(yǎng)。由于學生看不見磷在氯氣中燃燒的實驗現(xiàn)象，觀察不到三氯化磷轉化成五氯化磷的過程，學生在好奇心和求知欲的驅使下，往往對生成兩種氯化物的生成條件和轉化產(chǎn)生懷疑，甚至有的學生提出了一些問題。例如： 教材中給出的結論真的正確嗎？磷點燃時真能夠在氯氣中燃燒嗎？三氯化磷真的是無色液體嗎？磷在氯氣充足時真能生成五氯化磷嗎？五氯化磷是什么顏色和狀態(tài)？由此可見，這些問題雖然不大，但不通過實驗是很難解決的。由于教材沒有給出相應的實驗方法，學生提出的問題再多、再簡單，教師也是束手無策，無言以對，只能是書上怎么講，教師就怎么說，致使教師非常被動和尷尬。針對這種情況，我們利用吸濾瓶、氣球、一次性注射器、橡膠塞、激光筆等常見儀器，通過巧妙設計和組合，制作了磷在氯氣中燃燒的改進實驗裝置。

2? 研究現(xiàn)狀及分析

廣大化學教育工作者也曾研究、設計出了磷在氯氣中燃燒的一些實驗方案。這些實驗方案雖然解決了一定的問題，但仍然不盡如人意，具體表現(xiàn)為：

（1） 有的實驗方案需要復雜的氯氣制備系統(tǒng)，制備、收集氯氣時費時費力，不適應當今社會的環(huán)保要求，不利于培養(yǎng)學生的環(huán)保意識。

例1? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[2]一文（見圖1）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng);②點燃紅磷時必須在瓶外點燃，既造成了紅磷燃燒生成五氧化二磷的粉塵污染，又造成了瓶內氯氣外逸的氣體污染;③沒有指明氯氣是干燥的，容易使磷的氯化物發(fā)生水解，影響實驗效果。

圖1? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”一文中的裝置

例2? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[3]存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng);②直接將氯氣瓶扣在燃燒的紅磷上，粉塵污染和氣體污染更為嚴重。

例3? “磷在氯氣中燃燒的實驗改進”[4]（見圖2）存在問題有： ①需要一個制備氯氣的系統(tǒng)，在注射器內收集氯氣，容易使氯氣外逸;②點燃紅磷時容易造成粉塵污染;③當紅磷在氯氣中燃燒時由于是放熱反應，具支試管上的膠塞很難塞住，容易被頂出，造成室內污染。

圖2? “磷在氯氣中燃燒實驗的改進”

一文中的裝置

（2） 有的實驗方法很難得到實驗現(xiàn)象，失去了化學實驗的教學意義。

例4? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”[5]（見圖3）存在問題有： ①點燃紅磷時容易造成粉塵污染;②實驗現(xiàn)象容易受氯氣制備的干擾，因為在反應器內存在大量水蒸氣，生成的三氯化磷和五氯化磷容易水解（PCl3+3H2OH3PO3+3HCl、 PCl5+4H2OH3PO4+5HCl），最終很難看到兩種產(chǎn)物的生成過程。

圖3? “紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進”

一文中的裝置

上述事實說明，進一步研究紅磷在氯氣中燃燒實驗的方案是很有必要的，通過研究紅磷在氯氣中燃燒的實驗方法，可以完善前人的實驗方案，為提高化學教學質量做出貢獻。

3? 研究理念

根據(jù)氯氣的制備以及磷在氯氣中燃燒的特點，立足于實驗的簡單化、環(huán)?；?、一體化，努力保證實驗的科學性、安全性、可操作性。制備氯氣時，可以用高錳酸鉀晶體與濃鹽酸反應來完成;可以用濃硫酸干燥氯氣;剩余的氯氣可以用氫氧化鈉溶液來吸收;各種實驗儀器通過精心設計、巧妙組合，最終實現(xiàn)氯氣制備、磷在氯氣中燃燒和有毒氣體吸收的一體化，確保實驗者能很好地使用該實驗裝置，順利完成教學任務。

4? 設計方案

依據(jù)設計理念，氯氣的制備可以利用具支試管作為反應器。具支試管底部盛放高錳酸鉀晶體，然后將注射器內的濃鹽酸慢慢注入具支試管內，使兩者發(fā)生反應。生成的氯氣通過另一支具支試管內的濃硫酸被干燥，磷和干燥的氯氣發(fā)生反應是在吸濾瓶內進行，點燃磷的方法是用激光筆照射來完成，有毒物質則利用氣球里的氫氧化鈉溶液來吸收。使用氣球有兩個作用： 一是可以平衡吸濾瓶內部與外部的壓強;二是防止多余的氯氣外逸，不僅保證實驗的安全性，而且還可以防止橡膠塞被頂出，造成有毒氣體的外泄。

5? 反應原理

（1） 高錳酸鉀與濃鹽酸反應生成氯氣

2KMnO4+16HCl（濃）

2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

（2） 磷在不充足的氯氣中燃燒生成三氯化磷

2P+3Cl2點燃2PCl3

（3） 磷在充足的氯氣中燃燒生成五氯化磷

2P+5Cl2點燃2PCl5

（4） 反應剩余的氯氣被氫氧化鈉溶液吸收

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

（5） 磷的氯化物的水解

① 三氯化磷的水解反應

PCl3+3H2OH3PO3+3HCl

② 五氯化磷的水解反應

PCl5+4H2OH3PO4+5HCl

6? 實驗用品

吸濾瓶（500mL）1個、大功率激光筆（2W）1支、具支試管（2×20cm， 1.5×15cm）各1支、一次性注射器（50mL）1支、大號氣球1個、3號單孔橡膠塞1個、3號橡膠塞1個、6號雙孔橡膠塞1個、直角玻璃管2根、細線、硬質橡膠管若干

高錳酸鉀晶體、濃鹽酸（37%）、干燥紅磷、10%氫氧化鈉溶液、濃硫酸（98%）、干燥細沙等

7? 裝置設計

實驗裝置如圖4所示。

A濃鹽酸20mL;B濃硫酸5mL;C高錳酸鉀晶體5g;D氣球;E激光束;F激光筆;G氫氧化鈉溶液;H氯氣;I紅磷;J細沙層0.3cm

圖4? 實驗裝置

8? 操作過程及現(xiàn)象

（1） 首先按照實驗裝置（如圖4所示），將儀器組裝、連接好，所用藥品填裝好。

（2） 用力下推一次性注射器的活栓，使?jié)恹}酸慢慢滴入盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內，反應立即進行[2KMnO4+16HCl（濃）2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O]，生成的氯氣通過另一支具支試管內的濃硫酸干燥后進入吸濾瓶內。

（3） 當吸濾瓶內有淡淡的黃綠色氯氣時，用激光筆的綠色光照射紅磷，紅磷在氯氣中立即燃燒（2P+3Cl2點燃2PCl3），發(fā)出白光，并在吸濾瓶的內壁上有水珠狀無色的液體產(chǎn)生，此無色的液體即為三氯化磷。

（4） 繼續(xù)用力下推一次性注射器的活栓，當吸濾瓶內有大量黃綠色氯氣時，紅磷繼續(xù)燃燒，并可發(fā)現(xiàn)有白煙生成（2P+5Cl2點燃2PCl5），然后附著在瓶壁上，由此說明當氯氣充足時生成了五氯化磷的晶體。

（5） 紅磷燃燒結束后，停止向盛有高錳酸鉀晶體的具支試管內加入濃鹽酸，吸濾瓶內逸出的氯氣被氣球內的氫氧化鈉溶液吸收（Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O）。

（6） 向吸濾瓶內注入氫氧化鈉溶液，將生成的三氯化磷、五氯化磷吸收（PCl3+6NaOHNa3PO3+3NaCl+3H2O、 PCl5+8NaOHNa3PO4+5NaCl+4H2O）。

9? 幾點說明

（1） 實驗所用的紅磷也可用白磷代替，效果也佳。

（2） 用濃硫酸干燥氯氣可以保證紅磷與干燥的氯氣發(fā)生反應生成磷的氯化物，不至于發(fā)生水解而干擾實驗現(xiàn)象。

（3） 吸濾瓶底部的干燥細沙層起到隔熱的作用，防止紅磷燃燒時將瓶底燙裂，造成有毒氣體外泄，使實驗失敗。

（4） 嚴禁用激光筆照射眼睛，以防造成燒傷。

10? 結語

本實驗方案具有構思巧妙、簡單易行、環(huán)保安全、現(xiàn)象明顯等諸多特點。通過課堂實驗過程中的氯氣制備、激光點燃、紅磷燃燒、三氯化磷和五氯化磷的生成等，能夠有效地幫助學生解惑答疑，進而增大化學理論的可信度，加深學生對有關知識的理解和記憶，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神，增強了學生的環(huán)保意識，為培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)、提高化學教學質量創(chuàng)造了條件。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室編著. 全日制普通高級中學教科書（必修加選修）·化學（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 5.

[2]李荒生. 磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 湖北中小學實驗室， 1977， （1）： 13.

[3]王汝坦. 紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 教學儀器與實驗， 1992， （4）： 7.

[4]蔡清華. 磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 化學教學， 1998， （1）： 7.

[5]李秀波. 紅磷在氯氣中燃燒實驗的改進[J]. 教學儀器與實驗， 2001， （1）： 11.