实现单一变量的次氯酸漂白作用实验改进

江西师范大学化学化工学院(330022) 张 婷 黎泓波 姜建文

1 问题的提出

1.1 教材实验分析

人教版普通高中化学教材必修1(2019年版)在第2章第2节“氯及其化合物”中没有提供氯水漂白作用的实验装置，只是以文字的形式阐述“分别将干燥和湿润有色布条或纸条及有色鲜花放入干燥的氯气中”，并没有相关的实验装置图。苏教版普通高中化学教材必修1(2020年版)在专题3第1单元“氯气及氯的化合物”的实验探究中也只是给出了实验步骤(将干燥的有色布条和湿润的有色布条分别放入两瓶干燥的氯气中，观察并比较实验现象)，并没有实验装置图。因此，人教版和苏教版教材证明次氯酸漂白性实验均存在以下问题：①氯气或氯水的消耗量较大，教师的课前准备工作量大，不便进行学生实验；②没有氯气的制备过程，由于在教材中氯气的制备位于氯水漂白作用实验之后，所以学生不明白氯气是怎样产生的；③在将纸条或鲜花放入装有氯气的集气瓶中时必定会有氯气逸出污染空气；④未处理集气瓶中剩余的氯气，实验并未真正结束。

鲁教版普通高中化学教材必修1(2019年版)在第1章第2节“研究物质的方法和程序”中虽然给出了将氯气依次通入干燥红纸条和湿润红纸条并最终通入到氢氧化钠溶液中进行余氯吸收的装置图，但仍存在上述①②问题。

1.2 研究现状分析

针对教材实验中存在的不足，笔者在查阅了大量文献后发现不少教师和学者对次氯酸的漂白作用实验改进做了研究，并取得了较多成果，但均存在一些同样的问题，现以两个研究成果为例说明氯水漂白性实验装置改进存在的问题。

如李海燕的《新课标下的氯气漂白性质的实验改进》，实验装置见图1。该装置虽将氯气的制备及次氯酸的漂白性及余气处理一体化，但存在三个突出问题：一是没有控制单一变量，由于放有无水氯化钙的海绵垫层的存在，使得左侧花瓣的氯气浓度小于右侧，无法确定是由于氯气与水反应使右侧有色花瓣褪色还是由于右侧氯气浓度更大从而观察到右侧有色花瓣褪色；二是没有排除氯化氢气体的干扰，浓盐酸易挥发使得与有色花瓣接触的气体除了氯气还有氯化氢气体，该实验没有论证氯化氢气体不会使有色花瓣褪色；三是小气球中收集的氯气后续处理不便，使得实验操作更加繁琐。

图1 没有控制单一变量的实验

再如袁君雅的“次氯酸漂白作用实验的新设计”，实验装置见图2。该装置虽然保证了双翼试管两侧氯气浓度一致，但存在以下不足：一是装置不易获得(双翼试管需定制)，如果进行学生实验成本较高，且双翼试管的普适性不高，较少实验必须使用双翼试管；二是该实验也没有排除氯化氢气体的干扰，存在与上一实验相同的问题；三是双翼试管两侧的氯气无法除去，余气处理不彻底；四是要将包裹无水氯化钙固体的棉花塞到两侧小试管上部存在较大困难。

图2 仪器成本高的实验

基于以上问题的存在，笔者设计了一套仪器装置简单、集氯气的制备和漂白作用于一体、控制单一变量、能排除氯化氢气体干扰且适用于学生实验的次氯酸漂白作用的实验装置。

2 实验改进

2.1 实验仪器及药品

U型管(直径30 mm)、20 mL一次性注射器(3支)、小试管(2支)、彩带纸(2片)、海绵垫层(2块)、玻璃导管(2根)、带铁夹的铁架台(1个)、浓盐酸(37%)、KMnO4固体、NaOH溶液(20%)、饱和食盐水、无水氯化钙固体。

2.2 实验装置图

实验装置见图3。

图3 实现单一变量的次氯酸漂白性实验装置图

2.3 实验过程及现象

2.3.1 实验前的准备

(1)在两个橡胶塞上分别打1个孔，分别插1个小试管，左侧小试管外壁贴1张干燥彩纸带，右侧小试管外壁贴1张润湿的彩纸带。

(2)在左右两侧橡胶塞的另1个孔分别插1根玻璃导管，再在2根玻璃导管上分别插1个相同的海绵垫层，然后在两边的海绵垫层上方放置相同质量(1.5 g)的无水氯化钙固体。

(3)在U型管中加入1.0 g KMnO4固体，然后塞上插有海绵垫层的2个橡胶塞，接着在左方玻璃管上方插1支装有5.0 mL饱和食盐水的注射器；右侧玻璃管上方插1支装有4.0 mL浓盐酸(37%)的注射器。

2.3.2 实验进行的操作

2.3.3 实验后的处理

将右侧注射器换成装有10.0 mL NaOH溶液(20%)的注射器，注入NaOH溶液吸收余氯，用左侧空注射器(因为饱和食盐水已被注入到U型管中)可吸出部分余氯。有关反应的化学方程式是：Cl2+2NaOH=NaClO+NaCl+H2O。

2.4 实验说明

(1)U型管左侧装有饱和食盐水的注射器有两个作用：一是除去氯气中混有的氯化氢气体；二是在反应结束后吸收装置中剩余的氯气。

(2)U型管左右两侧同质量的无水氯化钙固体是为了保证两片彩纸带所处位置的氯气浓度相同，控制单一变量。

3 实验优点

(1)仪器用品简单易得，不需定制，实验成本低。本实验所使用的U型管、试管等仪器均为实验室常见仪器，所使用的实验用品，如海绵垫层和注射器，均为生活中常见用品，因此具备进行学生实验的设备基础。另外，将注射器应用于化学实验还能实现物质的二次利用，变废为宝，符合绿色化学理念。

(2)实现对照组和实验组的其他变量相同。保证了两片彩纸带所处环境的氯气浓度相同，不同之处只是左边的彩纸带是干燥的，右边的是湿润的，实现变量只有干湿状况，排除了由于氯气浓度不同造成湿润彩纸带褪色的可能性，实现了单一变量。

(3)增强了实验的严谨性。用饱和食盐水除去浓盐酸挥发出来的氯化氢气体，排除氯化氢气体导致彩纸带褪色的可能性，增强实验的严谨性。

(4)装置密闭性好，且对装置中多余氯气的处理较彻底。相比前文所列的两个已有研究实验装置，本实验装置对余氯处理更为彻底，操作更为简单方便。

(5)一体化设计。将氯气的制备、干燥及次氯酸的漂白作用融合在一个实验装置中，实验连续性好。

4 结论

本实验装置本着绿色环保、严谨科学的设计理念：整个实验处于密闭体系中进行，通过注射器的“一吸一注入”处理多余的氯气，符合绿色化学理念；用饱和食盐水除去浓盐酸挥发出的氯化氢气体及氯气与水反应生成的氯化氢气体，保证与彩纸带接触的气体为氯气；最重要的是本研究确保了实验对象——两片彩纸带所处环境的氯气浓度一致，实现自变量的唯一性，增强了实验的严谨性。