蒋金虎黄颖洁项云

（南京市第十三中学江苏南京210008）

氯气与水反应可逆过程的数字化实验

蒋金虎黄颖洁项云

（南京市第十三中学江苏南京210008）

不同版本教材对可逆反应教学的处理不同，教学中教师对氯气与水反应的过程是可逆的处理也不同，本实验运用数字化实验系统将氯气与水反应可逆过程实现可视化，实现通过氯气与水反应可逆过程进行可逆反应的教学的统一。并根据实验所得数据和曲线分析氯气溶于水过程中溶解平衡与氯气与水可逆反应平衡的建立过程。

数字化实验;氯气与水反应;可逆反应

一、创新实验来源

1.不同版本教材对可逆反应教学的不同处理

苏教版《化学1》专题二从海水中获得化学物质［1］，在讲解氯气与水反应时，以Cl2+H2O■■■■HCl+HClO进行了可逆反应的概念及应用的教学，因此学生对氯气与水反应是可逆反应并无异议。但人教版《化学1》第四章非金属及其化合物第二节富集在海水中的元素——氯［2］中，在讲解氯气与水反应时，运用的反应方程式为Cl2+H2O====HCl+HClO,未涉及可逆反应教学内容，对于可逆反应的教学内容人教版是安排在《化学2》第二章化学反应与能量中第三节化学反应速率和限度［3］时进行教学的，因此学生在学习氯气时并不知道氯气与水反应为可逆反应，导致产生错误认识以及对氯气与水反应方程式书写产生困惑，也严重影响学生对氯水性质的理解与运用。

2.实验教学中产生的疑难

在人教版《化学2》第三章有机化合物第一节最简单的有机物——甲烷“科学探究”［4］中，要通过排饱和食盐水的方法收集氯气。不能用排水法收集氯气的原理学生在化学1已习得，但为什么可以用排饱和食盐水的方法收集氯气呢？如果此时再进行氯气与水反应是可逆反应以及平衡教学，不仅对甲烷性质的学习产生干扰，而且学生对氯气在饱和氯化钠溶液中溶解度较小还是很难理解。

因此，在氯气与水的反应教学中结合可逆反应与化学平衡教学内容将会使两者相互促进相得益彰。那么，如何通过实验手段来揭示氯气与水反应的可逆过程呢？本设计通过数字化实验的方式将氯气与水反应的可逆过程实现可视化，让学生真正理解其可逆反应的实质以及为什么可以通过排饱和食盐水的方法收集氯气。

二、实验试剂及仪器

实验试剂：氯气、水、氯化钠固体

实验仪器：威尼尔数字化实验仪器（pH传感器、压强传感器）、500mL三颈烧瓶、干燥管、100mL注射器、胶塞、导管。

三、实验装置及构造

图1 实验装置

四、实验原理分析

1.氯气溶于水存在氯气的溶解平衡和氯气与水反应的两种平衡，两种平衡共存及相互影响。

2.在体积不变的密闭体系中，向收集满氯气的容器中加入一定量的水后，分别建立氯气溶解平衡和氯气与水反应可逆平衡，此时，容器内气体压强以及溶液pH将减小直至不再变化（都达到平衡）。当两者均达到平衡状态后，加入大量氯化钠固体，使得溶液中氯离子浓度增大直至达到饱和。根据勒夏特列原理，Cl2+H2O■■■■H++Cl—+HClO，氯离子浓度增大，平衡逆向移动，氢离子浓度减小，溶液pH增大，氯气物质的量增大，又导致氯气溶解平衡向逸出氯气方向移动，从而使密闭容器内压强增大。借助数字化实验仪器可以用压强传感器将密闭体系中压强的变化数据、pH传感器将溶液pH值的变化数据收集并转化为曲线在电脑上直观显现出来，达到将氯气与水反应可逆过程可视化的目的。

五、实验步骤及现象

1.按实验装置连接好仪器（仪器内无试剂，注射器内管尽可能向外拉开以便收集更多空气），打开程序，开始数据采集，观察压力传感器数据及曲线变化。当数据不再变化时，将注射器内空气压入三颈烧瓶，观察到压力传感器收集的数据不再增大并且30秒数据保持不变（或曲线30秒都不再上升），说明装置气密性良好。

2.用100mL注射器吸入约50mL的水，将注射器针头插入带有单孔玻璃管的胶塞中。

3.向球形干燥管内加入约20g氯化钠固体（要研细，防止氯化钠固体堵塞球形干燥管的细管而不能顺利滑入三颈烧瓶中），用胶塞塞紧球形干燥管的粗口，用橡皮管将球形干燥管细口与单孔塞玻璃管连接。将单孔塞塞紧三颈烧瓶右口。

4.将装有pH传感器的胶塞塞紧三颈烧瓶中口。

5.用向上排空气法收集满一三颈烧瓶的氯气，将装有压强传感器的胶塞塞紧三颈烧瓶左口。

6.将三颈烧瓶固定在磁力搅拌器的铁架上。

7.将压强传感器、pH传感器与数据采集器连接，打开电脑程序，打开压强传感器活塞，开启磁力搅拌器，将球形干燥管略向上倾斜（保证球形干燥管内空气与三颈烧瓶内氯气相通），开始采集数据。

8.迅速将注射器中的水压入三颈烧瓶中（注意压完后不能松手），观察压强、pH的数值变化以及曲线变化情况，在500秒左右，发现压强、pH的数值在10秒内几乎不再变化（见数据表1），此时用手敲击球形干燥管使氯化钠固体全部顺利滑入三颈烧瓶中，得到实验可视化图1。

9.重复操作步骤2—8，观察到在380秒时pH的数值在10秒内几乎不再变化而压强的数值在10秒内仍在减小（见数据表2），于383秒时用手敲击球形干燥管使部分氯化钠固体顺利滑入三颈烧瓶中，观察数据（见数据表3）及图形变化；在430秒左右时pH的数值在10秒内几乎不再变化而压强的数值在10秒内仍在减小（见数据表4），于383秒时用手敲击球形干燥管使部分氯化钠固体顺利滑入三颈烧瓶中，观察数据（见数据表4）及图形变化；在510秒左右时pH的数值在10秒内几乎不再变化而压强的数值在10秒内减小不明显（见数据表5），于513秒时用手敲击球形干燥管使剩余氯化钠固体顺利滑入三颈烧瓶中，观察数据（见数据表5）及图形变化，最终得到实验可视化图2。

图2 实验数据表

图3 实验可视化图

六、数据及实验可视化图分析与处理

结合数据表1及实验可视化图1可知，将注射器内水压入三颈烧瓶中时，因氯气体积减小压强数值增大压强曲线上升，但因pH传感器探头还未完全浸没在水中，所以此时pH数值及曲线不稳定。当水全部被压入后，压强与pH值同时减小曲线同时下降，此时氯气溶于水以及溶于水的部分氯气与水反应；一段时间后，pH值先于压强数值不再变化，当压强与pH值都不再随时间变化而变化时，说明氯气溶解与氯气与水反应都建立了平衡；此时加入氯化钠固体，氯离子浓度增大，图中压强与pH值也都增大，pH值增大说明氢离子浓度减小，说明反应逆向进行，因此，氯气与水反应是可逆反应；压强增大，说明从溶液中逸出的氯气增多，说明氯气溶于水存在溶解平衡。当氯气溶解与氯气与水反应都建立了平衡后加入氯化钠固体，压强与pH值同时增大曲线同时上升，说明氯气在饱和氯化钠溶液中溶解度减小，因此，可以用排饱和食盐水的方法来收集氯气。

结合数据表2、3、4、5及实验可视化图2可知，当溶液pH值在一段时间内不再变化但是压强数值却还在减小，且加入部分氯化钠固体后，pH增大而压强依然在减小，说明氯气溶于水时存在氯气溶解和溶解的氯气部分与水反应，氯气溶解平衡的建立与氯气与水反应可逆平衡的建立是两个相对独立的过程，并且氯气与水可逆反应先于氯气溶解建立平衡；结合数据表1及实验可视化图1，说明只有当氯气溶解与氯气与水可逆反应都达到平衡后，加入氯化钠固体将对两个平衡移动产生一致影响，才会使压强及pH值同时增大曲线同时上升。

七、实验设计特色

1.对于氯气与水反应可逆过程的理解，教师上课时用语言一直无法作出让学生信服的描述。通过本实验可以将可逆过程通过pH、压强数值变化直观感知且可以通过pH、压强变化曲线将可逆过程可视化，进而进一步理解氯气可以用排饱和食盐水收集的原因。“三种传感器多重表征探究氯水反应的可逆性”［5］一文，用下图4装置实验得出图5现象结论，但本实验设计与之相比，将敞口体系变为密闭体系，同时将单一传感器的使用变为多种传感器协同运用，达到立体多因素探究，更加直观显现出氯气与水反应的可逆过程。由向水中通入氯气（必然导致少量氯气外泄引起污染）变为向密闭容器中的氯气注入水达到绿色环保。由药匙或燃烧匙加固体氯化钠改为干燥管加氯化钠，不仅保证体系密闭，而且可以加大氯化钠用量达到饱和，使实验现象更加明显,曲线更加清晰。

图4 装置图

当曲线下降至基本不变时，关闭活塞停止通入氯气。保持遮光，旋转燃烧匙加入固体氯化钠，观察pH曲线变化，变化趋势如图5所示。

图5 饱和氯水中溶解氯化钠固体的pH变化

2.该实验操作简单方便，在课堂教学运用绿色环保，通过实验，引导学生分析氯气和水所发生的可逆反应，深入理解平衡移动的实质。在此过程中，进一步培养学生的核心素养。

3.可以厘清氯气溶于水与氯气与水反应之间的关系。多次实验结果说明，氯气溶于水包括氯气的溶解和氯气与水反应两个过程，两个过程具有相对独立性；氯气溶解平衡的建立与氯气与水反应平衡的建立不是同步的，具有相对独立性，氯气与水反应可逆平衡先于氯气溶解平衡建立；当氯气溶解过程与氯气与水反应过程都未达平衡时加入较多固体氯化钠时，氯气与水反应先于氯气溶解逆向进行，会出现压强上升滞后pH的现象；当两个过程都达平衡后，再加固体氯化钠两者将同步逆向进行。

［1］王祖浩.普通高中课程标准试验教科书：化学1（必修）（第6版）［M］.南京：江苏凤凰教育出版社，2014：41-43

［2］宋心琦.普通高中课程标准试验教科书.化学1（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：82-85

［3］宋心琦.普通高中课程标准试验教科书.化学2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：50-51

［4］宋心琦.普通高中课程标准试验教科书.化学2（必修）（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：61

［5］周美华,后勇军.三种传感器多重表征探究氯水反应的可逆性［J］.化学教与学,2016（10）:90-91

1008-0546（2017）09-0072-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.024