给“氯水”性质实验加几个注释

给“氯水”性质实验加几个注释

1 关于“氯水”的颜色

高一化学教材指出:氯气的水溶液叫“氯水”,氯水因溶有氯气而呈黄绿色。不过实验者要注意,氯水颜色的深浅跟氯水溶液的浓度和厚度有关。假设氯水的浓度相同,如图1所示观察部位1、2、3、4的颜色,要比观察部位5的颜色要深得多。

图1

2 饱和氯水的浓度只能是个概数(值)

关于饱和氯水的浓度,在室温条件下有说1体积水可溶解2体积的Cl2的,有文献说1体积水可溶解2.15个体积Cl2的;有说饱和氯水的浓度是0.0921 mol/L 的[1];也有说饱和氯水的浓度是0.089 mol/L的。其实这些数值都是一种大概数值。这是因为Cl2与水会渐渐反应形成次氯酸和盐酸,以及HClO的分解成HCl 和O2。因此实验难以测得Cl2在水中的真实精确的溶解度。其次,Cl2溶于水还会与水形成氯的水合物。有文献[2]指出,将氯气通入0℃的水中,Cl2的溶解度还会由于形成水合物而增大。六水合物Cl2•6H2O(淡绿色的晶体)和八水合物Cl2•8H2O都曾经从氯水中分离出来。

3 饱和氯水的判断方法

氯水呈黄绿色。饱和的(浓的)氯水黄绿色明显,不饱和的(稀的)氯水黄绿色浅淡。不过这种判断方法未免太粗略。准确判断氯水是否已经达到饱和的方法有2种。

(1)用饱和石灰水确定

用滴管取4滴管体积饱和石灰水于试管中——加几滴酚酞溶液,溶液呈红色。当用相同的手势吸取1滴管(体积)氯水去“中和”,如果红色刚好消失,表明这种氯水是饱和的,如果多于1滴管体积,表明氯水不饱和。饱和氯水与饱和石灰水反应的体积关系约是1∶4。

(2)用0.1 mol/L的NaOH溶液确定

0.1 mol/L NaOH酚酞溶液与饱和氯水反应的体积关系约2∶1。即2滴管(体积)的0.1 mol/L NaOH溶液与1滴管(体积)的氯水反应刚好使酚酞褪色,表明这种氯水已经饱和。如果多于1个体积的氯水,表明这种氯水不饱和。

饱和氯水的浓度在通常情况下可以达到0.089~0.0921 mol/L,很接近0.1 mol/L。1体积的饱和氯水“中和”2体积的0.1 mol/L NaOH溶液:2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO+H2O,这是既有理论支撑又符合实验事实的。同理,

常温下Ca(OH)2的溶解度是0.165 g/100 g水,则Ca(OH)2的浓度(因饱和石灰水是稀溶液,可设其密度为1.00 g/mL):

[0.165×(1000/100)]÷74=0.022 mol/L

而2 Ca(OH)2+2 Cl2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O

所以4体积的饱和石灰水,需要约1体积饱和氯水去“中和”。

4 氯水(饱和氯水)的配制方法

读者注意,教材上要求(人们也常说)用饱和氯水,实际上人们很少用,也很难用得上饱和氯水。饱和氯水的颜色特别黄绿,Cl2很难在水中达到饱和。比如,在一个盛有500 mL水的玻璃筒中持续通进Cl2的时间不得少于25～30 min,否则很难达到和接近饱和。这是因为Cl2溶于水会和部分水发生如下的可逆反应:

Cl2+H2OHCl+HClO

随着反应的进行,溶液的浓度增大,溶液的酸度也会增大,Cl2在水中的溶解速度会越来越慢,因此氯水很难达到饱和。所以实验室在充制Cl2水时将会有大量的Cl2得不到有效利用。为加快Cl2在水中的溶解速度和快速达到饱和,图2所示的方法是很有效的。

图2 制备饱和氯水

把通入Cl2的尖嘴管触及瓶底,让冲出的Cl2与瓶底接触而形成大量细小的氯气泡与水充分接触,快速被水吸收成为氯水。对于所制氯水是否已经达到饱和,可以用上述2种方法进行检验。

5 刻意用饱和氯水和刻意用新制备的氯水,多数情况下是不必要的

2007年人教版的高中化学教材157页有“(1)用镊子夹取一小块湿润的KI淀粉试纸,放在盛有新制氯水的试管口(如图3),观察试纸颜色的变化。”

图3

按理说,因KI与Cl2发生反应置换出了I2,I2与淀粉会呈现特征蓝色。可是如果是用新制的饱和氯水,KI淀粉纸在变蓝之后,很快又会褪成无色(蓝色消失)。

再有,同是教材的157页有“(2)向2只试管中分别加入少量NaI溶液,向其中一只试管中滴加2~3滴氯水。然后加入少量淀粉溶液,观察现象”。实验者注意,如果滴加的氯水是饱和的,量又比较多,很可能之后加入的淀粉溶液不会显蓝色。

教材上这2处所出现的异常现象,应当说都是“饱和氯水”和“过量氯水”在作“怪”。但是我们的学生又怎么能面对这样的复杂问题呢?

原来,Cl2与NaI相遇,氯水先氧化KI,放出游离的I2,随后多余的Cl2又会将I2氧化成无色的碘酸(HIO3):

I2+5Cl2+6H2O=2HIO3+10HCl

可见在这种情况下刻意用饱和氯水去实验,稍不留心就会形成Cl2过量,这会让教师在学生面前招来有理说不清(教学不要求)的麻烦。

教材对于新制氯水的要求,人们普遍会问:昨天制的氯水,今天还能用吗?上周制的氯水,这一周还能用吗?其实,在中学化学教学实验中,几乎不存在一定(必须)要用新制氯水。笔者曾经把新制的饱和氯水在暗处置放了一个月之后,发现这种氯水仍明显呈黄绿色,有浓浓的刺鼻的气味,即使是把它稀释8倍、10倍,它对NaI、NaBr溶液的置换反应也都是相当灵敏的。可见高一化学教材67页、156页、157页、158页等多处刻意要求用“新制的氯水”“饱和氯水”的情况,是没有必要的。笔者曾多次遇到这样的情况:学生下午做实验,教师要求实验员把上午制的氯水一律重新换成下午新制氯水。更有甚者,化学考试试题和试题答案中,“新制氯水”“饱和氯水”既是试题考点,又是参考答案要求的得分点。笔者认为,教材和教学中的这种死抠和误导应当避免。

6 不宜在课堂上演示氯水的光解实验

还是在半个多世纪以前,氯水的光照实验就出现在新中国自编的高中化学教材中[3],并且以演示实验和图示做了明确要求。但是就笔者所知,几乎没有教师在课堂上演示过这个实验,也几乎没有人揭示过成功做好这个实验有什么奥秘,比如:

(1)教材图示下的文字是“氯水受光照射实验”。但是这个光只能是日光,而且必须是明亮直射的日光。笔者曾用非常明亮的220 V、250 W的高压汞灯为光源,在距离盛装饱和氯水的烧瓶6~8 cm处,持续光照了90 min,均不见有O2产生的光解现象发生。

(2)氯水光解的潜伏期长。笔者曾经把盛放新制饱和氯水的烧瓶放在明亮直射的阳光下照射1 h,不见有O2气泡产生。只到持续照射80～90 min之后,才开始了异常明显的光解现象,有大量极其细小(像小针尖样)的O2气泡产生。即使在这种情况下,如果停止直射日光照射,光解现象又会很快消失。

(3)光解时间特别漫长。笔者用一个250 mL的烧瓶盛放了280 mL新制的饱和氯水,从早晨东方日出的8:00开始光照,一直持续照射到下午6点,整整10 h,彻底光解出了30～35 mL O2(这应当是氯水光解的极限了),平均每小时最多也仅可以光解出3～4 mL O2。