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实验十  氯气与氢气的光化反应研究

2012-12-29 16:28阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3007060132

107012010013 许丽凤
一、实验计划
（一）实验目的
1. 掌握氯气（Cl2）与H2混合光爆实验成功的关键及实验技能。
2. 探讨Cl2、H2混合光爆最佳体积比及二者混合最佳时间的长短对实验效果的影响，培养探究意识，学习实验探究方法。
3. 探讨成功演示该实验的简易装置及操作，培养实验创新能力。
4. 探讨Cl2、H2混合光爆演示实验的教法，训练演示技能。
（二）实验内容
1、探讨Cl2 、H2混合光爆最佳体积比。
2、探讨Cl2、H2混合时间长短对实验效果的影响。
3、探讨成功演示该实验的简易装置。
4、Cl2 、H2混合光爆演示实验教学。
（三）实验原理
（1）
Cl2的制法
MnO2+4HCl(浓) ==MnCl2+Cl2↑+2H2O
实验装置 实验十 <wbr> <wbr>氯气与氢气的光化反应研究

实验用品：A、仪器设备：铁架台、酒精灯、石棉网、园底烧瓶、分液漏斗配双孔塞、导气管、集气瓶、小烧杯
B、试剂：浓盐酸、二氧化锰、饱和食盐水、浓硫酸、氢氧化钠溶液
实验步骤：A、按实验装置图连接好实验仪器，检查装置的气密性；
B、在烧瓶中加入少量二氧化锰，从分液漏头里慢慢地注入密度为1.19的浓盐酸， 缓缓加热，使反应加快，有氯气均匀放出。
C、用饱和食盐水收集氯化氢气体，浓硫酸吸收水分；
D、用向上排空气法收集氯气；
E、多余的氯气用氢氧化钠溶液吸收。

②2KMnO4 + 16HCl = 2KCl +2MnCl2 + 5Cl2 ↑+ 8H2O
实验装置：不需要加热，其它与上个装置相同
注意事项：
1. Cl2有毒，不要泄露，以免发生意外。
2. 收集的气体必须要纯净，不要混入空气。
3. 反应开始时收集的氯气不纯，用碱吸收。
（2）H2的制法
Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑
启普发生器的构造和工作原理简介
基本构造：启普发生器常被用于固体颗粒和液体反应的实验中以制取气体，它由球形 漏斗、容器和导气管 三部分组成。如图所示： 实验十 <wbr> <wbr>氯气与氢气的光化反应研究

基本原理：将仪器横放，把锌粒由容器上插导气管的口中加入，然后放正仪器，再将装导气管的塞子塞好。接着由球形漏斗口加入稀盐酸。使用时，扭开导气管活塞，酸液由球形漏斗流到容器的底部，再上升到中部跟锌粒接触而发生反应，产生的氢气从导气管放出。不用时关闭导气管的活塞，容器内继续反应产生的氢气使容器内压强加大，把酸压回球形漏斗，使酸液与锌粒脱离接触，反应即自行停止。使用启普发生器制取氢气十分方便，可以及时控制反应的发生或停止。
启普发生器的优点：反应随开随用，随关随停。
启普发生器的特点：
1.实验前，必须检验装置的气密性
2.只适用于不溶于水的块状或颗粒状固体与液体发生的反应
3..可以通过调节压强，控制反应速率与进程
4.反应不能太剧烈，也不能放出大量的热，更不能进行加热
5.生成的气体要求微溶于反应溶液，或不溶于反应溶液
6.在移动启普发生器时，手应该握住蜂腰部位
实验步骤：1.装置漏水性的检验：旋紧启普发生器玻璃半球上的出液口处的旋塞，打开导气管上的活塞，从球型漏斗口处加入一定量的水，使水的高度刚好没过出液口的顶部，观察出液口是否漏水。
2.装置气密性的检验：如果装置不漏水，关闭导气管上的活塞，从球形漏斗口继续加水，使球形漏斗内的液面高于其1/2，并做一记号，等待2--3分钟后观察液面是否发生变化，如果发生变化，则表示气密性不良，则应该检查导气管活塞处（若漏气，可涂抹适量的凡士林）、导气管橡胶塞处（若漏气，可用力旋紧）、球形漏斗与容器的磨口部位（若漏气，可涂抹适量的凡士林）。
3.实验药品的装入：在装药品之前，应该用玻璃纤维缠绕球形漏斗与蜂腰部位的接触处，以防止锌粒落入玻璃半球内（切勿使玻璃纤维粘在球形漏斗磨口部位）。将仪器倾斜一定的角度或平放，用钥匙取60粒锌粒，均匀的铺在玻璃纤维周围。平放仪器，将导气管插上并旋紧，关闭活塞，从球形漏斗中加入一定量的稀硫酸(没过锌粒表面即可）。
4.氢气的收集及验纯：打开活塞，使反应液缓慢流下，等气泡均匀产生后，用排水法收集一小试管氢气，靠近酒精灯火焰，放开拇指，如有尖锐的爆鸣声，证明氢气不纯，则应继续收集，直至只发出轻微的“噗”声为止。
（3）①Cl2、H2混合光爆反应（1:1光爆）
Cl2+H2 = 2HCl
法一：实验装置 实验十 <wbr> <wbr>氯气与氢气的光化反应研究

实验原理：
H2和Cl2混合气体见光爆炸是一个自由基链式反应过程.
 Cl2分子中的Cl-Cl键很弱.光照条件下就能打断它.使Cl2分子解离成2个Cl原子:Cl2-hν→2Cl
 Cl原子又能发生如下反应: Cl+H2→HCl+H
 生成的H原子又能反应: H+Cl2→HCl+Cl
 上两个反应是自由基反应.因为有十分活泼的Cl和H原子自由基的参与而很容易进行.并且释放能量.放出能量进一步促进了Cl2的解离:
 Cl2+M→2Cl+M (M是惰性分子或者器壁)
 以上三个反应循环往复.但没有一个反应使自由基数量减少(反应初期自由基浓度低.互相碰撞的可能性很小).导致反应分子迅速转化为大量自由基.生成HCl和发出能量.
 当反应体系自由基浓度达到一定水平时.自由基合并的过程明显起来:
 H+H→H2
 Cl+Cl→Cl2
 H+Cl→HCl
 这些高能的自由基合并成低能的稳定分子会更急剧的放热.反应体系的散热远远跟不上急剧的放热.导致体系的温度和压强急剧升高而发生爆炸。
实验步骤：将收集好的氯气与氢气的集气瓶扣在一起，并且混合。混合后在集气瓶口放上塑料片，在集气瓶附近点燃已打磨的镁条，观察现象。
注意事项：
1、 反应容器最好选择塑料瓶，以防爆炸。
2、 不能混进空气，否则实验失败。
3、氯气有毒，以防泄漏。
②法二、收集混合氢气与氯气混合光爆（氯气与氢气比为2:1）
实验装置 实验十 <wbr> <wbr>氯气与氢气的光化反应研究

实验步骤：将氯气和氢气的制备装置准备好，先用排饱和食盐水法收集2/3的氯气，再收集1/3的氢气，然后在试管的附近点燃事先已经打磨好的镁条。

（4）探讨Cl2、H2混合最佳光爆体积比
表一 Cl2 与H2 光爆反应与体积比
V（H2）/V(Cl2)
1:1
 1:2
 2:1
光爆质量


（5）探讨Cl2、H2混合时间长短对实验效果的影响
由表一得出的最佳体积比；选取同样装置进行光爆反应。
表二 混合时间与光爆反应
混合时间（min）
 0
 1
 2
 3
光爆质量




二、实验记录
第一个光爆实验（氯气与氢气体积比为1:1）没有光爆，第二个光爆实验（氯气与氢气体积比为2:1）实验成功。
三、实验结果分析
影响Cl2和H2混合光爆的因素
1、Cl2和H2的纯度。混合气体中若混有空气，空气中的氧气在混合气体中达到一定量时，就会使该链式反应中断而达不到爆炸程度，使实验失败。
2、Cl2和H2的体积比。理论上二者的体积比为1：1，但Cl2在含有水分的混合气体中有部分溶解，理应Cl2稍过量，根据实验和理论证明，混合气体中Cl2和H2的体积比为2:1时，反应速度最快，最易爆炸，一般采用的体积比为1.5:1或1.2:1为宜。
3、光照的强度。光照越强，在短时间内发光越集中，实验越易成功。如以镁作光源，应提高光源的强度和缩短光源与反应器之间的距离。
4、混合气存放时间。混合气中Cl2在存放时间内可以与水蒸气发生反应，再加上受散射光线的照射，会促使反应的进行。这样一方面使Cl2减少，O2增多，另一方面生成的HCl气体会溶于水，使容器内压强减少，这就有可能从管口吸入空气，因而使实验失败。故掌握好在室内自然光下的存放时间也是试验成功的关键之一。
5、气体的混合方式。实验的成功与两种气体在光照混合均与有关。实验证明，如分别利用两个相同容器收集再混合，却不易使气体混合均匀，故实验成功率低；如果利用同一容器收集，可以使气体混合均匀，故实验的成功率高。如能在集满Cl2的容器中直接制取H2，并立即光照，成功率更高。
四、思考与讨论
1.从Cl2、H2混合光爆的化学反应原理看，实验成功的关键是什么？
成功的关键是：氯气与氢气的体积比接近1:1，光照强度需达到一定的程度。
2.本实验有哪些不安定因素（含环境污染）？如何预防？尤其是有毒气体的制取、收集、混合应设计什么样的装置与操作防止有毒气体外逸？
氯气是有毒气体，容易造成试验污染。氢气与氯气要达到一定比例，否则试验容易失败。
如图： 实验十 <wb</a>

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