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制氯气实验释疑解惑

来源:未知作者:王笃年 点击:所属专题: 氯气

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1.实验室制取氯气时,氧化剂为什么选用需要加热的MnO2而非不需要加热的KMnO4、K2Cr2O7等? 实验室里用到少量氯气时,一般采用氧化浓盐酸的方法制备。常用氧化剂有KMnO4、K2Cr2O7、MnO2(需加热)、漂白粉(有效成分次氯酸钙)。反应如下: 2KMnO4+ 16HCl = 2KCl + 2MnCl

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1.实验室制取氯气时,氧化剂为什么选用需要加热的MnO2而非不需要加热的KMnO4、K2Cr2O7等?

实验室里用到少量氯气时,一般采用氧化浓盐酸的方法制备。常用氧化剂有KMnO4、K2Cr2O7、MnO2(需加热)、漂白粉(有效成分次氯酸钙)。反应如下:

2KMnO4+16HCl = 2KCl + 2MnCl2+8H2O + 5Cl2↑;

K2Cr2O7+14HCl = 2KCl + 2CrCl3+7H2O + 3Cl2↑;

MnO2+4HCl(浓)制氯气实验释疑解惑 MnCl2+2H2O + Cl2↑;

Ca(ClO)2+4HCl = CaCl2+2H2O+2Cl2↑。

上述所列氧化剂中,只有MnO2可以从自然界直接获得,它是软锰矿的主要成分,用MnO2氧化法制氯气也是当年化学家舍勒最初发现氯气的实验方法,故至今一般还是沿用这一方法制取氯气。

强氧化剂氯酸钾也能与浓盐酸反应产生氯气:KClO3+6HCl = KCl + 3H2O + 3Cl2

后来的研究发现,该反应过程中可能产生副产物ClO2,它也是强氧化性的气体,会对氯气的化学性质形成干扰。

2KClO3+4HCl =2KCl+ 2H2O + Cl2↑+ 2ClO2

2.既然制取氯气的本质是氧化Cl,还原剂为什么选用浓盐酸而不选用便宜的NaCl?

这跟氧化还原反应发生的条件有密切关系。氧化和还原虽然同时发生,但这两个过程却是分开的“半反应”。

氧化过程似乎很简单:2Cl-2e-= Cl2↑,但还原过程就比较复杂了。

比如MnO2,它的+4价锰得电子变为Mn2+后,两个-2价氧变成什么?

它会跟溶液里的H结合变为OH或H2O:

MnO2+2e-+ 4H= Mn2++ 2H2O

显然,从还原反应的方程式看,溶液中H浓度越大(溶液的酸性越强),则反应越容易发生,MnO4、Cr2O72等氧化剂也发生类似的过程,有兴趣的同学可以独立深入研究一下。

换句话说,是因为MnO2、MnO4、Cr2O72等氧化剂在酸性条件下氧化性比在中性条件要强得多,氧化过程更容易发生且反应更快。

具体可通过氧化剂、还原剂的电极电势计算进行判断,由于涉及的知识比较复杂,这里就不详细介绍了。

3.为什么用水(或饱和食盐水)除去氯气中的HCl?排饱和食盐水法收集氯气的原理何在?

氧化浓盐酸制取氯气时,浓盐酸会挥发产生HCl、H2O等杂质。

除去H2O比较容易,使用酸性干燥剂(如浓硫酸)即可。

除去HCl就难了,因为几乎一切能跟HCl发生反应的物质,都可以跟Cl2发生反应。

无奈之下,人们根据Cl2和HCl在水中溶解度差异较大这一事实,设计了用少量水(或饱和食盐水)洗涤气体的方法除去HCl,虽然Cl2也会有所溶解,但毕竟其溶解度小,溶解的量有限。

排空气法很难收集到纯净、不含有空气的氯气。有时为了需要,也可采用排饱和食盐水的方法收集氯气。

之所以采用饱和食盐水,是因为与水相比,氯气在饱和食盐水里的溶解度比在纯水里要小一些,食盐水降低氯气溶解度,与化学平衡原理有关:

Cl2+H2O制氯气实验释疑解惑H+Cl+HClO

食盐水中有较大浓度的Cl,可抑制上述反应的发生,跟水反应的Cl2的量减少,Cl2的溶解度自然随之减小。

4.洗气瓶能够除尽杂质气体吗?

要回答这个问题,首先要分析清楚气体洗涤的原理。

以用浓硫酸洗涤Cl2(含有H2O蒸气杂质)为例,图示如下:

制氯气实验释疑解惑

图中大球表示一个气泡,其中的小白球表示氯气分子,黑球表示杂质水分子。

硫酸对水分子的作用并不像磁铁吸引铁屑一样,距离较远即会吸引过去。

所有气体分子(Cl2和H2O)在球内做无规则热运动,只有当水分子运动到气泡的边缘直接接触到硫酸时,才可能跟硫酸分子发生作用被硫酸分子“捕捉”到,而从气泡内除去。

这样,气泡在浓硫酸中上升的过程中,运动到气泡边缘的H2O即被硫酸吸收,随着气泡的上升,其中H2O蒸气的浓度逐渐减小,最终H2O的浓度降低到很低的比例,大部分被除去。

而始终未到过气泡边缘的H2O是不可能被除去的。

通过以上分析可知,洗气法除去杂质的操作都是不可能100%地除掉所有杂质的,只要把杂质的比例降低到一定程度,我们就可以说杂质被除尽了。

基于上述原理,要想尽可能地运用洗气法除去杂质气体,一是增加洗涤液用量,使气泡在其中停留时间尽可能长;二是使气泡尽可能小(比如使用细的导管),这样可以缩短杂质分子运动到气泡边缘的距离,增加杂质分子跟洗涤液接触的机会。

由于洗气法不能保证完全除去所有杂质气体分子,所以很多时候要在洗气瓶后增加装置,以检验(确认)杂质气体是否已经被除尽。

(责任编辑:化学自习室)
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