H2在Cl2中燃烧及HCl喷泉实验的绿色化设计

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  一、实验原理
  稳定的氢气流可以在纯净的氯气中安静地燃烧, 生成极易溶于水的HCl气体。
  H2+Cl2 点燃2HCl
  实验中反应后剩余的氯气可以被氢氧化钠溶液吸收。
  C12+2NaOHNaCl+NaClO+H2O
  二、实验试剂
  锌粒、3 mol·L-1硫酸、氯气、蒸馏水、紫色石蕊溶液、2%氢氧化钠溶液。
  250 mL圆底烧瓶、气球、玻璃尖嘴导气管、止水夹、铁架台、铁圈。
  三、实验步骤
  1.利用向上排空气法在圆底烧瓶中收集满氯气,并用橡胶塞塞紧,然后倒置在铁架台的铁圈上。
  2.在盛有蒸馏水的烧杯中,滴入紫色石蕊溶液,观察到水的颜色变为紫色为宜。
  3.现将橡胶塞上打两个孔,其中一个孔插入短玻璃导管,另一个孔插入尖嘴玻璃导管,并安装在烧瓶上,短导管伸出橡胶塞半厘米左右,尖嘴导管伸进烧瓶至其容积的1/3处。使用胶头滴管向导管所连气球中滴入2 mL左右的水,同时用橡皮筋将气球固定在短玻璃导管上。最后用乳胶管将图1尖嘴导管与制氢气的简易装置相连在一起(如图1所示)。
  4.利用锌与稀硫酸反应制取氢气,验纯氢气以后点燃。用左手迅速取下装氯气烧瓶的橡胶塞,再用右手迅速将点燃的氢气的尖嘴导管伸入充满氯气的烧瓶内,同时塞紧双孔橡胶塞,以防漏气。此时可以看到氢气在氯气中安静地燃烧,燃烧火焰的颜色与氢气在空气中的燃烧火焰颜色明显不同,为苍白色。待燃烧持续一段时间后,由于燃烧是放热的,产生的热会使烧瓶内气体膨胀,气球逐渐胀大。待烧瓶内氯气的黄绿色逐渐变淡乃至消失后,再用止水夹夹住乳胶管,停止通氢气使燃烧反应停止。
  5.撤去制氢气的发生装置,取下烧瓶,并将烧瓶倒转,使气球内少量的水进入烧瓶中,由于氯化氢极易溶于水,此时可以看到烧瓶内产生大量白雾(产生的白雾就是盐酸小液滴)。
  6.将烧瓶倒放在铁圈上进行固定,并将尖嘴导管与导气管用胶管紧密连接起来,再将导气管下口伸入烧杯液面以下接近烧杯底部,以有利于喷泉的长久观察,如图2所示。迅速打开止水夹,可看到烧瓶图2内形成美丽的喷泉,逐渐上升的液面上白雾茫茫(盐酸小液滴),烧杯中紫色的水到达烧瓶后变为红色,为红色喷泉。过一段时间后烧瓶内的水又变成了无色(这是由于未完全燃烧的氯气溶于水产生的次氯酸具有漂白作用,使溶液的紅色被氧化漂白的缘故)。当烧瓶中液面上升到烧瓶容积的一半左右,关闭导气管的止水夹,停止实验,反应停止。再将导气管插入盛有2% NaOH溶液的烧杯中(烧杯内事先滴入1滴~2滴酚酞溶液),打开止水夹,可以继续形成喷泉实验,气体溶解,喷泉不再产生。
  四、注意事项
  1.装置的气密性要好,将燃着的尖嘴插入氯气中时动作要快,否则不仅达不到环保和绿色的要求,还影响喷泉实验的效果。
  2.产生的氢气气流要平稳,点燃时火焰高度以1 cm~1.5 cm为宜。
  3.在氢气燃烧的过程中要特别注意,当火焰快要熄灭时应立即停止通入氢气,确保氯气过量。
  4.连接烧瓶和制氢气装置的乳胶管的长度,以点燃氢气伸进烧瓶时乳胶管弯曲后不堵为宜。
  五、实验分析
  1.本实验方案可以引导学生对氯气的主要性质进行一系列的探究,涉及氯气的氧化性、与氢氧化钠的反应以及氯化氢的溶解性等。
  2.通常做氢气在氯气中的燃烧实验是用带尖嘴的弯导管通入氢气点燃,再将弯导管伸入到盛有氯气的敞口集气瓶中观察,操作简单,现象明显,但在燃烧过程中有大量的氯气和氯化氢气体外逸,容易造成环境污染。
  3.本实验在密闭的条件下进行,大大减少了氯气和氯化氢气体的逸出。缺点是操作比较复杂,对教师的操作能力有较高的要求。
  (收稿日期:2017-04-10)
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