实验室低温液化、凝固氯气及封管的制作

摘要：在高中化学制备氯气实验的基础上，将适量氯气在常温常压下封装于安瓿瓶中，通过低温冷凝、凝固再升温，帮助学生观察到以下四个过程：气体变液体的液化过程，液体变气体的气化过程，液体变固体的凝固过程，固体变液体的熔化过程，拓展相关知识。并让学生认识到封管实验法可有效降低实验过程中有害物质对环境的污染，且便于实验重复进行以及循环展示。关键词：氯气；液化；凝固；封管封管实验是将化学物质密封在容器中进行的实验。市售的封管（也称安瓿瓶）选用软质玻璃吹制，管一端有一段细颈。实验物质事先放入管中后在管口细颈处加热，待玻璃呈红热状时，在火焰上用工具慢慢拉拔熔封即得到待用的封管。封管实验所存试剂通常为数滴或几小粒，大大节约成本，尤其减少对环境污染。同时，封管实验往往只需一次制作就可以反复、长久使用，且操作简单［1］。由于封管实验具有以上优点，故现行中学化学教材中也引入了封管实验，如上海科学技术出版社出版的《化学（必修）》［2］第一册第77页“二氧化硫与品红”的演示实验、第88页“氯化铵受热分解”的演示实验；上海科学技术出版社出版的《化学（必修）》第二册第53页“温度对化学平衡影响”的演示实验。这一类实验都是通过改变温度，使得体系颜色或发生改变，生成新的物质，待温度恢复到室温后，又重新恢复到物质起始状态。但这类封管实验中整个体系处于密闭状态，温度变化使得体系压强变化也相对明显，故实验过程中不宜强热或高温，否则会导致玻璃管碎裂。氯气的性质是高中阶段《化学（必修）》第一册氯及其化合物中的重点知识。氯气容易液化，在1.01×105Pa下-34.04℃时冷凝成液体、-101.5℃时冷凝成固体。查阅现有各类资料，大多是将制备出的氯气暂存于试管或者烧瓶中，使用干冰冷凝得到液氯，教学演示之后氯气不能长久保存。笔者在选择市场上能够购买到的材料多次实验后，将少量氯气在常压下注入安瓿瓶，封口成封管后置于常温常压下可长期储存，在演示氯在不同状态的转化过程时，随时取用，现象直观明了、使用安全可靠。1实验原理1.1氯气的生成气体发生采用KMnO4与浓盐酸反应得到氯气，避开MnO2制备氯气需要加热的条件。产生等量氯气材料消耗少，转化率高；在得到足够量的氯气［3］时有效减少氯化氢气体的排放。反应的方程式如下：2KMnO4+16HCl（浓）2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O制得的氯气用饱和食盐水洗脱氯化氢，再用浓硫酸除去水蒸气得到干燥的氯气［4］。1.2冷浴装置冷浴装置1使用干冰乙醇混合物时（温度约为-72℃），可以保证氯气液化；冷浴装置2使用液氮时（温度约-196℃），可以保证得到固态氯。2实验过程2.1实验仪器和试剂仪器：磨口抽滤瓶（250mL）、恒压滴液漏斗（50mL）、两只洗气瓶（250mL）、漏斗（直径90mm）、水槽、T型三通管、螺旋夹、乳胶管、医用输液管（外直径3mm）、安瓿瓶（35mL，无色透明）、高硼硅玻璃管（壁厚1.5mm，内径6mm）、石英管（壁厚1.5mm，内径6mm）、耐压防爆瓶（具有聚四氟乙烯盖，75mL）、MAPP灌装气体及喷枪、保温杯（350mL）、数据采集器（Vernier，型号LabQuest3）、热电偶温度传感器（Vernier，测温范围200～1400℃）试剂：高锰酸钾（AR）、12mol·L-1盐酸（AR）、干冰（食品级）、液氮（纯度≥99%）、无水乙醇（CP）、淀粉KI试纸、10%NaOH尾气吸收液（CP，2～3L）2.2制气装置图制备与收集氯气装置见图1、图2。2.3实验操作及现象2.3.1制备氯气在通风橱中按图1连接好装置，检查气密性。称取7.0gKMnO4置于抽滤瓶中，向恒压滴液漏斗中加入40.0mL浓盐酸。吸收池内盛有10%的NaOH溶液，插入倒置漏斗，漏斗连接三通管。用螺旋夹关闭T型三通管通向吸收槽一端的管路，打开滴液漏斗滴加浓盐酸，待反应变得连续而均匀稳定后，开始收集氯气，收集一段时间后（时间依收集容器大小各异）开始用湿润的淀粉KI试纸靠近容器口检验氯气是否已经集满（试纸变蓝，表示已收集满）。收集结束后，关闭通向收集氯气的管路，打开通向吸收槽的管路吸收多余氯气。2.3.2不同选材和封装尝试使用不同材料的收集容器，尝试了以下四种方法进行实验。2.3.2.1高硼硅玻璃管收集用壁厚1.5mm、内径6mm高硼硅玻璃管，收集了高度约10cm的氯气，立即封管。将收集的氯气低温液化，发现生成液氯的量不足，不利于现象的观察。2.3.2.2石英管收集石英玻璃的耐压高于普通玻璃，因此尝试使用一端封闭的石英管在冷浴环境下直接收集液氯，由于MAPP燃气火焰温度不足以融化石英材质，若使用氧炔焰熔封则脱离了中学化学实验的客观条件。也考虑过比较粗的有机玻璃管，但有资料说氯气对有机玻璃有腐蚀作用，出于谨慎将该材料排除。2.3.2.3耐压防爆瓶收集使用耐压防爆瓶进行试验，这种管状瓶子可以耐受3～4个大气压。瓶塞是聚四氟乙烯制品，无惧氯气腐蚀。我们将它置于干冰乙醇冷浴中收集了一定量的液氯，之后在冰箱冷冻环境（-16℃）安全存放了两周。但这种用不同质地材料非一体化密封是否經得住长期保存，且随后相变实验过程体系压力高出一个大气压是否安全均有待验证。另外成本价格稍高。2.3.2.4安瓿瓶收集使用安瓿瓶收集进行试验，在常压下直接封口，这样可得到足够的氯气，而且可以用来演示液化、固化和气化过程。先进行理论预估：按室温18℃、101.325kPa、安瓿瓶体积35.0mL，用理想气体方程pV=nRT计算后得知大约可得到n=0.001465mol，即0.1040g氯气。经查阅化学数据手册，知液氯密度为1.5625g·cm-3，冷凝后体积约0.07mL，这大概是50.00mL酸碱滴定管2～3滴左右的量。2.3.3封管制作集满氯气后用喷枪火焰迅速密封安瓿瓶口，等熔封处冷却至室温后将安瓿瓶倒置，再次用湿润淀粉KI试纸靠近封口，查看是否熔封严密。2.3.4低温液化取少量干冰置于保温杯中，缓慢倒入无水乙醇，由于温度剧变，生成大量二氧化碳气体，混合物呈“沸腾”状态，使乙醇盖过干冰3cm左右高度即可。将封有氯气的安瓿瓶置于其中冷浴，经热电偶实测冷浴体系温度为-67.3℃。封管中的黄绿色气体逐渐消退，管底凝结出非常明显的金黄色油状液体。从保温瓶取出后伴随温度升高，可以看到液氯不断气化减少、黄绿色气体渐浓。同样的方法，取少量液氮置于保温杯中，待杯中温度稳定后，热电偶实测冷浴体系为-140.5℃，将封管置于其中冷浴。封管中的黃绿色气体逐渐消退，瓶底出现非常明显的淡黄绿色固体。从保温瓶取出后伴随温度升高，可以看到固态氯先转变为金黄色油状液氯，再转化为黄绿色气态氯。3实验结论实验过程中务必保持良好的通风环境和安全措施，建议在室温20℃以下进行实验。在比较过几种收集装置后，最终选用安瓿瓶收集足够量的氯气，它不仅可在常温常压下长期保存、随用随取，同时也能更好地降低氯气对环境的污染。在温度的变化中实现氯分子状态的转化过程，气态变液态是液化过程，液态变气态是汽化过程，液化与气化过程是互为逆过程；液态变固态是凝固过程，固态变液态是熔化过程，凝固与熔化也是互为逆过程。在物质状态的转化过程中，其化学键并未发生断裂，没有新的物质生成，都是物理变化；且它们只是改变分子之间的间隙，发生了分子间势能和动能的转化，故在不同的状态转化时也就表现出了吸热或放热；不同物质状态氯分子也发生了颜色的变化，这些变化也与其氯分子本身的结构有一定的相关性，固态氯的颜色明显比液态氯的颜色浅，这与文献［5］上所说的“卤素的颜色是电子由最高占有反键结πg分子轨域跃迁至最低反键结σu分子轨域时所形成，其色泽会随温度降低而变浅，在-196℃时固态氯几近无色的”是贴近的。该方法也存在以下问题：氯气在由气态到液态的转化过程中，由于分子间距的减小，导致体积也急剧变化。由于封管实验本身收集氯气的量相对较小，如操作不慎，最终得到液氯的量会更少，导致相变实验观察难度增加。可考虑在收集的过程中直接在冷浴的条件下收集，将气体直接在常压下冷却液化，这样就可以收集到较多的液氯，便于实验现象的观察。但要注意容器的耐压性，确保氯气完全气化后容器不会爆裂。事先要在理论上计算好气化后的温度、压力以及容器的耐压性、后期实验防爆安全等事宜。参考文献：［1］五个高中化学实验的微量化改进［J］.