探析氯气制备实验的考查方式

江苏 印志林

探析氯气制备实验的考查方式

江苏 印志林

氯气的性质活泼，用途广泛，氯气的制备和性质是设计实验试题的“发源地”之一。下面在分析氯气制备实验要点的基础上，探析该实验的常见考查方式。

一、氯气实验室制法的实验要点

氯气的实验室制法是重要的气体制备实验，复习时如果能对该实验进行多角度的发散思维，掌握实验的要点和细节，则可以在后续复习中触类旁通，事半功倍。

1．实验原理

实验室制氯气利用的是氧化还原反应原理，用氧化剂将盐酸中的Cl－氧化为Cl2。教材实验中使用的氧化剂是在这个反应中，盐酸既表现了还原性，又表现了酸性，反应中HCl只有一半被氧化。

若无浓盐酸，则可以用食盐和浓硫酸来代替：

若无MnO2，则可用K2Cr2O7、KMnO4、KClO3、Ca（ClO）2等更强的氧化剂来代替：

2．反应条件

MnO2的氧化性较弱，跟浓盐酸的反应需加热，但浓盐酸的挥发性较强，加热温度过高过快会加快盐酸的挥发，使收到的气体不纯，故要缓缓加热。

3．反应的进程

盐酸中Cl－还原性的强弱，与盐酸浓度有关，故该实验成败的关键在于浓盐酸的浓度。当盐酸的浓度小于7mol·L－1时，Cl－浓度小，还原性弱，化学反应将不能发生，故实验中必须选用浓盐酸。

4．反应装置

该反应为固体和液体反应且需加热，故发生装置使用烧瓶、分液漏斗、酒精灯等。因为在加热条件下浓盐酸更易挥发，为保持其浓度，并减少HCl的挥发，所以浓盐酸必须由分液漏斗慢慢加入。

5．气体的收集

因为Cl2密度大于空气且能溶于水，所以常用向上排空气法收集Cl2。Cl2在饱和食盐水中的溶解度大大减小，也可用排饱和食盐水法收集Cl2。

6．气体的净化

用以上方法制得的Cl2中常混有少量HCl和水蒸气，若需收集纯净、干燥的Cl2，可将所制得的气体依次通过盛有饱和食盐水和浓硫酸的洗气瓶。

7．检验与验满

因为Cl2是黄绿色气体，故可以用观察法判断Cl2是否收集满。实验中常用淀粉碘化钾试纸检验Cl2，若将润湿的淀粉碘化钾试纸靠近集气瓶口，试纸变蓝，表明Cl2已收集满。

8．尾气吸收

Cl2具有毒性，制Cl2的装置应密闭，多余的Cl2应使用碱液吸收。和Ca（OH）2相比，NaOH易溶于水，其溶液浓度可以大一些，更适合于吸收装置中多余的Cl2。需要注意的是，吸收余气所用的NaOH溶液浓度不能太大，若用浓NaOH溶液则会导致倒吸现象发生。

二、有关氯气制备实验的综合方式

从近年来的高考试题看，与氯气有关的综合实验题是考试的热点题型。

1．将氯气的制备实验与物质制备实验进行综合

【例1】（2015·海南卷）工业上，向500～600℃的铁屑中通入氯气生产无水氯化铁；向炽热铁屑中通入氯化氢生产无水氯化亚铁。现用如图所示的装置模拟上述过程进行实验。

回答下列问题：

（1）制取无水氯化铁的实验中，A中反应的化学方程式为_______________，装置B中加入的试剂是_____________。

（2）制取无水氯化亚铁的实验中，装置A用来制取_______________。尾气的成分是________。若仍用D的装置进行尾气处理，存在的问题是________、________。

（3）若操作不当，制得的FeCl2会含有少量FeCl3，检验FeCl3常用的试剂是________。欲制得纯净的FeCl2，在实验操作中应先________，再________。

【解析】（1）在制取无水氯化铁的实验中，A装置为Cl2的制备装置，实验室通常用MnO2和浓盐酸共热制取Cl2，Cl2中混有HCl和水蒸气，需要用浓硫酸干燥混合气体以除去水蒸气。D装置中应盛NaOH溶液，用于吸收多余的Cl2。

（2）HCl与铁共热可制得无水氯化亚铁，则A装置是HCl的制备装置，HCl和Fe反应生成FeCl2的同时还生成H2，故尾气的成分是没有反应的HCl和反应生成的H2。HCl极易溶于水，H2不能与NaOH溶液反应。若仍用D的装置进行尾气处理，则D中液体会发生倒吸，可燃性的H2也不能被吸收。

（3）检验FeCl3，常用的试剂是KSCN。欲制得纯净的FeCl2，需防止装置中氧气的干扰，在实验操作中应先点燃A处的酒精灯，利用产生的HCl气体排出装置中的空气，然后再点燃C处酒精灯。

【答案】（1）MnO2＋4HCl（浓）MnCl＋Cl↑＋222H2O 浓硫酸

（2）HCl HCl和H2发生倒吸 可燃性气体H2不能被吸收

（3）KSCN溶液 点燃A处的酒精灯 点燃C处的酒精灯

2．将氯气的制备实验和性质实验进行综合

【例2】某研究性学习小组同学查阅资料得知，漂白粉与硫酸溶液反应可制取氯气，化学方程式为Ca（ClO）2＋他们设计了如下图所示的制取氯气并验证其性质的实验装置：

请回答下列问题：

（1）该实验中A部分的装置是__________（填写装置的序号）。

（2）A中发生反应一段时间后，B中的现象是________ _______________________，B中发生反应的离子方程式为___________________________。整套实验装置存在的明显缺陷是________________。

（3）写出D装置中发生反应的离子方程式：___________ ________________。

（4）请你帮该小组同学设计一个实验，证明洗气瓶C中的Na2SO3已被氧化（简述实验步骤）：__________________。

【解析】（1）固体和液体加热制备气体时，应选用加热的圆底烧瓶配分液漏斗装置。

（2）Cl2通入KI溶液时置换出I2，I2遇淀粉溶液变蓝。实验中可能有剩余的Cl2，最后应加尾气吸收装置，以防止Cl2逸出污染环境。

（3）D装置中，Cl2与水反应生成HCl和HClO，盐酸能与NaHCO3反应放出CO2。

（4）C中的Na2SO3被氧化后生成Na2SO4，向该溶液中加入足量盐酸后再加BaCl2溶液，如果生成白色沉淀，则可证明其中含有。

【答案】（1）丁

（2）溶液变蓝色 2I－＋Cl2===2Cl－＋I2无尾气吸收装置

（3）Cl2＋H2OH＋＋Cl－＋HClO、HCO3－＋H＋===H2O＋CO2↑

（或Cl2＋===Cl－＋HClO＋CO2↑）（4）取少量溶液置于洁净的试管中，向其中加入稀HCl至不再产生气体，再向其中滴入氯化钡溶液，若产生白色沉淀，则证明亚硫酸钠被氧化

3．将氯气的制备实验和化学反应原理知识进行综合

【例3】经常性地对环境进行消毒，是预防各种传染性疾病的有效措施。某研究小组为制备消毒液（主要成分是NaClO）设计了A、B两套装置（B装置中电极材料均为石墨）。并查阅到下列资料：“在加热的情况下卤素单质和碱液发生如下反应：

请回答下列问题：

（1）写出装置A烧瓶中发生反应的离子方程式：______ ______________________________________________________。

（2）若去掉装置A中盛浓硫酸的洗气瓶，能否达到预期目的？________（填“能”或“不能”）。

（3）装置A中盛冰水的烧杯的作用是________________ ______________________________________________________。

（4）利用装置B制备消毒液时有关反应的化学方程式为____________________________________________________。

（5）装置B中a端应接电源的_______________极，理由是____________________________________________________。

【解析】（1）MnO2具有氧化性，浓盐酸中的Cl－具有还原性，加热时MnO2能将Cl－氧化为Cl2，＋4价锰元素被还原为＋2价。

（2）Cl2与NaOH溶液反应时不需要干燥，若去掉装置A中盛浓硫酸的洗气瓶，对反应不产生影响。

（3）Cl2与NaOH溶液反应时放热，为了防止受热时反应生成NaClO3，需用冰水降温。

（4）电解饱和食盐水生成的Cl2和NaOH发生反应，可以得到含有NaClO的消毒液。

（5）装置B中，b端所连的碳棒旁有便于氢气逸出的玻璃导管，所以b是电源的负极，与之相连的碳棒是阴极，H＋在阴极发生还原反应。

【答案】（1）MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

（2）能

（4）Cl2＋2OH===－Cl－＋ClO－＋H2O

（5）正 因为a端所连的碳棒上Cl－发生氧化反应，是电解池的阳极

分析以上解题过程可以看出，解答与气体制备有关的综合实验题时，应注意以下问题：

（1）明确实验的原理和目的，搞清楚各实验装置的作用，根据“制备气体—除杂干燥—主体实验—尾气吸收”的基本流程连接实验装置，同时注意实验的细节问题，如洗气瓶中导管的长短、分液漏斗中玻璃塞的开合等。

（2）选择的除杂试剂应在除去杂质气体的同时，减少原气体的溶解量，故一般采取通入相关饱和溶液的方法。如Cl2中混有HCl，可通过饱和食盐水；SO2（或CO2）中混有HCl，则可通过饱和NaHSO3（或NaHCO3）溶液。

（3）设计实验检验物质时应防止干扰，除去杂质气体时应验证是否除尽。

（4）制备物质时，应控制温度、浓度等反应条件，防止副反应的发生。制备在空气中能与水蒸气发生反应的物质时，应保证制取装置前后均有除水装置，以确保实验前后均无水蒸气引入，提高产物的纯度。

（作者单位：江苏省常州市横山桥高级中学）