巧用石棉和注射器改進(jìn)銅與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

周學(xué)工 戚金麗

摘要：銅與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，氯氣需提前制備給我們的教學(xué)帶來(lái)諸多不便，且該實(shí)驗(yàn)操作中未反應(yīng)的氯氣、生成的氯化銅煙不可避免地外逸造成環(huán)境的污染。作者針對(duì)該實(shí)驗(yàn)存在的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，利用注射器和H管實(shí)現(xiàn)了氯氣的制取及銅與氯氣的反應(yīng)一體化，將制取氯氣、溶解氯化銅、氯氣尾氣吸收進(jìn)行流水線(xiàn)處理;利用石棉能讓銅與氯氣充分接觸反應(yīng)，且能有效防止H管因銅絲燃燒放熱而爆裂，同時(shí)充當(dāng)濾紙過(guò)濾不溶物得到澄清氯化銅溶液。

關(guān)鍵詞：氯化銅制取;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）12-0095-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.030

一、引言

氯氣是一種黃綠色、有刺激性氣味的有毒氣體。毒性主要表現(xiàn)在其通過(guò)呼吸道侵入人體并溶解在黏膜所含的水分里，生成次氯酸和鹽酸，對(duì)上呼吸道黏膜造成損傷，中毒的明顯癥狀是發(fā)生劇烈的咳嗽。癥狀重時(shí)，會(huì)發(fā)生肺水腫，使循環(huán)作用困難而致死亡。由于氯氣的劇毒性，許多中學(xué)化學(xué)教師對(duì)氯氣性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究望而卻步，對(duì)氯氣性質(zhì)探究的課堂教學(xué)也顯得枯燥乏味。

銅與氯氣反應(yīng)在現(xiàn)人教版化學(xué)第一冊(cè)第67頁(yè)中只指出：銅能在氯氣中劇烈燃燒，刪除了該反應(yīng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。舊版人教版第一冊(cè)（2000年初審?fù)ㄟ^(guò)）第67頁(yè)，介紹該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟為：用坩堝鉗夾住一束鐵絲或銅絲，灼熱后立刻放入充滿(mǎn)氯氣的集氣瓶里。觀察發(fā)生的現(xiàn)象，然后把少量的水注入集氣瓶里，用玻璃片蓋住瓶口并振蕩，觀察溶液的顏色。此方法雖然裝置簡(jiǎn)易、操作方便，但存在較大的安全隱患。如：將銅絲伸入集氣瓶過(guò)程中導(dǎo)致有毒的氯氣外逸;氯氣與銅反應(yīng)后產(chǎn)生的氯化銅煙也會(huì)外逸;最后打開(kāi)玻璃片加水溶解氯化銅時(shí)未反應(yīng)的氯氣和氯化銅煙都會(huì)逸出造成二次污染。由此可見(jiàn)，在課堂上完成該實(shí)驗(yàn)對(duì)師生健康不利。蘇教版必修I第42頁(yè)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的描述省略加水溶解步驟，其余與人教版一致，仍舊存在安全隱患。

文獻(xiàn)對(duì)銅與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究有較多報(bào)道。主要方法是向封閉容器（三頸燒瓶、試管等）中通人事先收集的氯氣，或事先在封閉體系中收集滿(mǎn)氯氣，并加熱銅絲后進(jìn)行反應(yīng)，目的是防止氯氣逸出。這些方法雖一定程度上消除氯氣外逸造成的危害，但需要事先制備氯氣仍給教學(xué)帶來(lái)諸多不便。如，該教學(xué)內(nèi)容為當(dāng)天第一節(jié)課，需要提前一天制備氯氣，但由于氣密性等原因會(huì)造成氯氣濃度下降影響實(shí)驗(yàn)的成功率。也有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)利用針筒注射濃鹽酸與高錳酸鉀或氯酸鉀反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制備氯氣，和銅與氯氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一體化，但需要將銅絲在外環(huán)境中加熱后再通過(guò)軟木塞插入容器中（集氣瓶、布氏漏斗等）。這些在外環(huán)境中加熱的實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)綠色化，如，將針筒換成熱的銅絲時(shí)，氯氣會(huì)外逸造成環(huán)境污染等。

為了實(shí)現(xiàn)CuCI2制備實(shí)驗(yàn)的一體化、綠色化，以及實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)快、現(xiàn)象明顯等目的，筆者利用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)儀器H管和注射器，將濃鹽酸通過(guò)注射器壓入H管中與高錳酸鉀反應(yīng)制取氯氣，另一端加熱銅絲，使得產(chǎn)生的氯氣通過(guò)H管中部連通部分?jǐn)U散到銅絲處，與熱銅絲反應(yīng)。再巧用注射器將蒸餾水吸人H管中，觀察固體產(chǎn)物溶于水后的顏色變化，證明銅被氯氣氧化后產(chǎn)物為氯化銅。這樣改進(jìn)不僅實(shí)現(xiàn)人教版教材上需要達(dá)到的銅在氯氣中燃燒以及產(chǎn)物氯化銅溶解的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，也符合化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境保護(hù)這一教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和自我保護(hù)意識(shí)。

二、實(shí)驗(yàn)

1.儀器及用品

H管、鐵架臺(tái)、酒精燈、止水夾、導(dǎo)管、橡皮管、注射器、燒杯、軟木塞、石棉;高錳酸鉀、濃鹽酸、銅絲、蒸餾水、NaOH溶液。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

3.實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）按實(shí)驗(yàn)裝置圖1、圖2所示安裝儀器，并進(jìn)行氣密性檢查。方法為：打開(kāi)NaOH溶液和蒸餾水處的止水夾，拉注射器，若觀察到兩處導(dǎo)管液面均升高，且上升高度一致，且一段時(shí)間后不下降，表示氣密性良好，可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）用鑷子向H管一端裝入少量石棉，置于H管連通管以下部分且靠近連通管約1/3處，將銅絲卷成團(tuán)狀后輕輕置于石棉上以免石棉掉落至H管底部。H管的另一端裝入少量高錳酸鉀固體，注射器中裝入少量濃鹽酸，待用。

（3）關(guān)閉蒸餾水處止水夾，打開(kāi)NaOH溶液處止水夾，將H管橫放（便于銅絲的加熱），點(diǎn)燃酒精燈，加熱銅絲（約1-2分鐘）直至銅絲紅亮（圖3）。待銅絲紅亮后撤走酒精燈，將H管豎立后，立即推注射器將濃鹽酸注入高錳酸鉀中進(jìn)行反應(yīng)，觀察到有黃綠色氣體產(chǎn)生并且氣體通過(guò)H管中間連通部分進(jìn)入另一端。繼而與石棉上的熱銅絲接觸，立即觀察到銅絲在石棉上劇烈燃燒起來(lái)，產(chǎn)生棕黃色的煙（圖4）。

（4）反應(yīng)結(jié)束后，待H管冷卻，打開(kāi)蒸餾水處止水夾，關(guān)閉NaOH溶液處止水夾，拉注射器將蒸餾水吸入H管中。吸入的蒸餾水將產(chǎn)物氯化銅固體溶解后透過(guò)石棉流到H管底部，即石棉充當(dāng)濾紙的角色，過(guò)濾除去未反應(yīng)的固體后在H管底部得到藍(lán)色澄清溶液（圖5）。故步驟（2）中加入的石棉置于H管連通管以下部分且靠近連通管約1/3處，不能太靠近H管連通部分，否則吸人的水會(huì)通過(guò)連通管進(jìn)入另一端，導(dǎo)致在H管裝銅絲的一端觀察不到藍(lán)色溶液。

（5）最后，進(jìn)行尾氣處理。關(guān)閉蒸餾水處止水夾，打開(kāi)NaOH溶液處止水夾，多次推注射器將裝置中的氣體（目的是未反應(yīng)的氯氣）推入NaOH溶液中進(jìn)行尾氣處理以免污染大氣（圖6）。

三、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新

1.本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了氯氣的制備與銅在氯氣巾燃燒一體化，即氯氣無(wú)需事先準(zhǔn)備，故不用擔(dān)心因連續(xù)上幾個(gè)班級(jí)課后，事前收集的集氣瓶巾的氯氣擴(kuò)散到空氣巾造成濃度降低影響實(shí)驗(yàn)的成功率。

2.本實(shí)驗(yàn)巾氯氣以及產(chǎn)物氯化銅煙不會(huì)逸散到空氣巾，實(shí)現(xiàn)了課堂演示實(shí)驗(yàn)綠色環(huán)保，不損害師生身體健康。

3.本實(shí)驗(yàn)經(jīng)改進(jìn)后的裝置簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作方便、藥品用量少、反應(yīng)速率快、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)，符合課堂教學(xué)要求。

4.本實(shí)驗(yàn)巧用石棉，其優(yōu)點(diǎn)如下：①通過(guò)石棉將銅絲從H管底部向上提，將其架空至靠近連通管約1/3處。此處能使得銅絲提早與氯氣接觸（相比H管底部），且接近連通管部位氯氣的濃度較大，故銅與氯氣的反應(yīng)速率越快;②將銅絲置于石棉上，可使銅絲在石棉上燃燒而非在H管底部燃燒，避免H管因高溫爆裂;③用注射器吸取蒸餾水來(lái)溶解氯化銅巾，石棉起到濾紙作用，過(guò)濾未反應(yīng)和不反應(yīng)物質(zhì)，得到藍(lán)色澄清溶液。

5.本實(shí)驗(yàn)巧用注射器：①推注射器將濃鹽酸壓人H管巾，制取氯氣;②拉注射器將蒸餾水吸入H管巾，溶解產(chǎn)物氯化銅形成藍(lán)色溶液，驗(yàn)證氯氣將銅氧化為銅離子;③再推注射器排出氯氣，并將氯氣通人Na0H溶液巾進(jìn)行尾氣吸收。注射器的利用增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

6.本實(shí)驗(yàn)利用濃鹽酸和高錳酸鉀制備氯氣（書(shū)本為濃鹽酸和二氧化錳），該反應(yīng)無(wú)需加熱反應(yīng)速率快，可以立即觀察到黃綠色氣體產(chǎn)生，且銅絲在石棉上劇烈燃燒現(xiàn)象明顯，能帶來(lái)視覺(jué)上的刺激，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。