氫氣在氯氣中燃燒實驗是現行高中化學教材中的一個經典實驗(如圖1所示)。該實驗儘管裝置簡單,現象明顯,但存在著一定的缺陷,即製備、收集氯氣和進行氫氣在氯氣中燃燒實驗時,氯氣及生成物氯化氫氣體容易外逸,汙染室內環境,影響師生健康,不利於培養學生的環保意識。儘管如此,筆者至今尚未發現有較好的方法解決這一實驗難題,甚至絕大多數教師對該實驗採取敬而遠之的消極態度加以處理,即遇到該實驗時,往往是講實驗而不是做實驗,以避免有毒氣體對教學環境的汙染。為此,筆者對該實驗進行了認真的研究和改進,經多次反覆實驗,教學效果良好,不僅實驗現象明顯,無空氣汙染,而且還培養了學生的環保意識和創新思維,提高了教學效果。
1、實驗用品
玻璃瓶(如輸液用的500 mL玻璃瓶)1只,無底無色透明玻璃瓶(如盛食醋用的無底無色透明玻璃瓶)1只,3號帶孔橡膠塞2爪,玻璃尖嘴1支,14號帶雙孔橡膠塞1爪,玻璃棒1根,膠頭滴管2支,單球乾燥管1支,火柴1盒。
鋅粒,稀硫酸(4 mol/L),高錳酸鉀晶體,市售36%-37%濃鹽酸,30%氫氧化鈉溶液,粒狀鹼石灰,蒸餾水。
2、實驗裝置
實驗裝置如圖2所示,其中:A為濃鹽酸,B為潤溼的粒狀鹼石灰,C為無底無色玻璃瓶,D為火焰;E為高錳酸鉀晶體,F為玻璃瓶,G為稀硫酸,H為鋅粒。
實驗時要注意:火焰與大橡膠塞距離應該在15 em以上,保障火焰對橡膠塞無損害;保證整個裝置氣密性良好,防止有害氣體逸出,汙染室內環境。
3、實驗方法及其現象
(1)取下玻璃瓶F瓶口上帶有玻璃尖嘴的膠塞,向玻璃瓶內注入10 mL 4 mol/L的稀硫酸後,加入2.5 g的鋅粒,可觀察到反應立即進行,產生大量的氣泡(其反應的化學方程式為:Zn+H2SO4=ZnSO2+H2↑)。
(2)在玻璃瓶口處裝上帶有玻璃尖嘴的橡膠塞,當瓶內連續產生氣泡後,檢驗氫氣的純度。當瓶內的氫氣純度較高時,用火柴點燃該氫氣,可觀察到發出淡藍色火焰(其反應的`化學方程式為:2H2+O2=(點燃)2H2O)。
(3)將無底無色玻璃瓶的瓶口塞上玻璃尖嘴上的另一個膠塞(如圖3所示)。
(4)在無底玻璃瓶內、玻璃尖嘴周圍的瓶頸處裝入2 g左右的高錳酸鉀晶體。
(5)將帶有滴管、乾燥管的14號雙孔橡膠塞緊緊塞在無底無色玻璃瓶的底部(如圖2所示)。
(6)用手擠壓滴管的膠頭,使濃鹽酸注入到無底無色玻璃瓶內並與高錳酸鉀接觸,反應立即進行,產生大量黃綠色的氯氣(其反應的化學方程式為:2KMnO4+16HCl(濃)=2MnCl2+2KCl+5CI2↑+8H2O),並可觀察到此時火焰為蒼白色,在整個瓶體內上方產生大量白色煙霧 (其反應的化學方程式為:H2+Cl2=(點燃)2HCl)。
4、殘留物處理
待無底無色玻璃瓶內反應結束、火焰熄滅後,取另—支膠頭滴管,吸滿30%氫氧化鈉溶液後,多次向乾燥管內緩緩滴入,直至過量,使其不僅中和掉剩餘的鹽酸 (其反應的化學方程式為:NaOH+HCl(鹽酸)=NaCI+H2O),而且還要將瓶體內的有毒氣體吸收掉(其反應的化學方程式分別為:Cl2+2NaOH=NaClO+NaCl+H2O、NaOH+HCl(氯化氫)=NaCl+H2O)。
5、實驗說明
(1)改進後的實驗裝置,取材容易,製作簡單,現象明顯,它可以使氯氣的製備、實驗一體化,從而達到減少實驗操作環節,避免有害氣體逸出的可能性,解決了實驗對環境的汙染問題,培養學生的環保意識和創新能力。
(2)此實驗方法與傳統實驗方法相比,無需氯氣、氫氣的製備裝置和收集過程,可使實驗簡單化,既節省了教學儀器又縮短了實驗時間,從而提高了教學效率。