葉永謙

研究背景

鹽酸是重要工業(yè)原料，其生產(chǎn)原料氫氣和氯氣來(lái)自氯堿工業(yè)產(chǎn)品。氯堿工業(yè)作為高中化學(xué)學(xué)習(xí)化工生產(chǎn)的第一課，涉及較多化學(xué)工藝基本原理，對(duì)于學(xué)生了解化工生產(chǎn)過(guò)程具有重要作用。但實(shí)際教學(xué)中卻缺少鹽酸工業(yè)制法的演示裝置。

目前，工業(yè)鹽酸生產(chǎn)一般采用石墨三合一合成爐法。主要生產(chǎn)流程為：氫氣經(jīng)緩沖罐和阻火器，通過(guò)止逆閥與經(jīng)過(guò)氯氣緩沖罐的氯氣在燈頭處匯合進(jìn)入合成爐燃燒，生成氯化氫氣體。氯化氫氣體在爐內(nèi)被稀鹽酸吸收，生成合格濃度的鹽酸，未被吸收的氣體進(jìn)入尾氣回收塔，用純水噴淋吸收，形成稀酸進(jìn)入合成爐內(nèi)作吸收液。為了與中學(xué)教材中介紹的氯堿工業(yè)演示實(shí)驗(yàn)相銜接，本實(shí)驗(yàn)擬采用電解飽和食鹽水制備氫氣和氯氣，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)氯化氫合成爐模擬裝置。將二者有機(jī)連接在一起，既可以演示氯堿工業(yè)電解飽和食鹽水的過(guò)程及產(chǎn)物的驗(yàn)證，又可演示工業(yè)制備鹽酸的過(guò)程。

裝置設(shè)計(jì)

第1 代實(shí)驗(yàn)裝置分為3 部分，一是電解部分，用于制備氫氣和氯氣;二是合成部分，用于演示氫氣和氯氣燃燒制備氯化氫，并收集吸收制備鹽酸;三是尾氣處理部分，用于處理可能過(guò)量的氫氣或氯氣，保證實(shí)驗(yàn)安全環(huán)保。具體裝置示意圖如圖1，實(shí)物圖如圖2 所示。

裝置圖中，電解部分由大號(hào)U型管、石墨棒、三角漏斗、橡皮塞組成，電解生成的氫氣在U 型管左管中，氯氣在右管中，產(chǎn)生的氫氣、氯氣將飽和食鹽水壓入三角漏斗中，打開(kāi)活塞1、3 即可分別將氫氣和氯氣導(dǎo)入合成爐模擬裝置（圖3）中。

氯化氫合成爐模擬裝置主要由燃燒管、杯形容器、倒扣的廣口瓶等組成。其中燃燒管分外管和內(nèi)管2 部分，外管用于導(dǎo)入氫氣，內(nèi)管用于導(dǎo)入氯氣，外管容積大，確保氯氣完全燃燒，減少環(huán)境污染。氫氣和氯氣在內(nèi)管管口燃燒，產(chǎn)生的氯化氫氣體用倒扣的廣口瓶罩在杯形容器裝有的蒸餾水中，用于吸收氯化氫并防止氣體外逸。廣口瓶?jī)?nèi)壁用雙面膠粘有pH 試紙，用于檢驗(yàn)氯化氫的生成。氫氣進(jìn)入燃燒外管時(shí)，可能有少量溶液跟著進(jìn)入，導(dǎo)致燃燒不順暢。為此，設(shè)計(jì)了活塞2用于排出可能積在外管的液體。

尾氣吸收裝置由2個(gè)燒杯組成，其中左側(cè)的燒杯中裝有肥皂水，用于將可能過(guò)量的氫氣通過(guò)導(dǎo)入形成氣泡燃燒除去;右側(cè)的燒杯中裝有氫氧化鈉溶液，用于除去可能過(guò)量的氯氣。

實(shí)驗(yàn)操作

配制熱的飽和食鹽水。熱的飽和食鹽水是本實(shí)驗(yàn)使用的唯一試劑，將足量氯化鈉溶解在熱水中便可得到。熱的飽和氯化鈉溶液有利于較快收集到氯氣，節(jié)約演示時(shí)間，提高課堂效率。

?注入飽和食鹽水。熱的飽和食鹽水在注入時(shí)要注意控制體積，先找到橡皮塞，塞緊時(shí)應(yīng)注入溶液的液面高度并作記號(hào)。正式注入溶液時(shí)，先關(guān)閉活塞4 和5，注入熱的飽和氯化鈉溶液至事先標(biāo)注的高度，再將橡皮塞分別塞緊，保證溶液既充滿U 型管，又不會(huì)排入導(dǎo)管中。

電解飽和食鹽水。氯化氫合成爐模擬裝置中杯形容器不裝水，管口密封的三角漏斗先不扣上。接通16 V 直流電源開(kāi)始電解。電解一段時(shí)間后，U 型管左管收集到大量氫氣，右管收集到的氯氣較少，產(chǎn)生的氣體將溶液壓入漏斗中。

氫氣驗(yàn)純。收集到大量氫氣后，在氯化氫合成爐模擬裝置燃燒外管上扣上一個(gè)干燥的試管，打開(kāi)活塞1，使一定量的氫氣進(jìn)入試管中。取下試管，管口朝下，靠近酒精燈火焰，有尖銳的爆鳴聲，說(shuō)明所收集的氫氣不純，原因在于導(dǎo)管中有空氣存在。重復(fù)以上步驟，直到聽(tīng)到沉悶的“噗”聲，說(shuō)明合成爐模擬裝置中的氫氣已經(jīng)純凈，可以安全燃燒。

燃燒氫氣和氯氣。往杯形容器中注入蒸餾水至杯口1 cm 處，打開(kāi)活塞1，控制氫氣流速形成平穩(wěn)氣流，點(diǎn)燃?xì)錃?。由于玻璃中鈉元素焰色的干擾，火焰呈黃色。再打開(kāi)活塞3，氯氣進(jìn)入燃燒內(nèi)管，到達(dá)內(nèi)管管口瞬間出現(xiàn)氫氣與氧氣在外管口燃燒、氫氣與氯氣在內(nèi)管口燃燒的美麗畫面。當(dāng)氯氣持續(xù)與氫氣接觸后，燃燒只在內(nèi)管口進(jìn)行，火焰呈蒼白色。

鹽酸的生成和檢驗(yàn)。在燃燒著的火焰上方罩上倒扣的廣口瓶，廣口瓶?jī)?nèi)壁粘有干燥pH 試紙。氫氣氯氣繼續(xù)燃燒，有大量白霧出現(xiàn)，pH 試紙變紅，與廣口瓶罩上的瞬間形成明顯對(duì)比，說(shuō)明反應(yīng)有氯化氫氣體生成。

處理尾氣。燃燒一段時(shí)間后，由于氫氣或者氯氣中一種氣體已經(jīng)耗盡，燃燒結(jié)束，關(guān)閉活塞1和3。如果是氫氣有剩余，則打開(kāi)活塞4，將氫氣排入肥皂水中形成氣泡，點(diǎn)燃除去;如果是氯氣有剩余，則打開(kāi)活塞5，將氯氣排入氫氧化鈉溶液中吸收，防止污染空氣。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

第1 代裝置雖能成功模擬鹽酸的工業(yè)制法，但仍存在以下不足：①整套裝置較為復(fù)雜，不方便課堂演示時(shí)的搬運(yùn)和組裝;②氫氣在氯氣中燃燒時(shí)間較短，體驗(yàn)不夠充分;③氫氣進(jìn)入的管道經(jīng)常出現(xiàn)在壓力作用下液體也同時(shí)進(jìn)入該管道造成堵塞的現(xiàn)象，導(dǎo)致氫氣難以順暢進(jìn)入，燃燒無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行;④氫氣的驗(yàn)純爆鳴聲不是很劇烈，效果不夠明顯;⑤反應(yīng)后多余的氫氣、氯氣處理較為繁雜，處理效果不好。

為了解決以上問(wèn)題，我先后進(jìn)行了5 代儀器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，最終得到更加成熟的第6 代演示裝置，如圖4 所示。

實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)。在杯形容器下加裝帶有玻璃活塞的支管，解決鹽酸收集過(guò)程無(wú)法演示的問(wèn)題;改進(jìn)電解容器，將大號(hào)U 型管改為筒形平底三口燒瓶，解決儀器復(fù)雜問(wèn)題及安全隱患問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的改進(jìn)。巧妙利用產(chǎn)物氫氧化鈉溶液，解決氯化氫的驗(yàn)證和多余氯氣的處理問(wèn)題;巧用洗潔精形成氫氣氣泡，解決氫氣的驗(yàn)純和尾氣處理問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)控制條件的改進(jìn)。將學(xué)生電源換為60 V 直流電源，解決電解速度慢及熱的飽和食鹽水配制時(shí)間問(wèn)題;測(cè)算氫氣從小廣口瓶中冒出氣泡的速率（8 秒內(nèi)可均勻達(dá)到20 個(gè)氣泡時(shí)，氫氣即可順暢燃燒），解決氫氣燃燒不夠順暢的問(wèn)題。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目集成化程度高，物料通路設(shè)計(jì)巧妙，產(chǎn)物和安全措施考慮周到。相對(duì)于工業(yè)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約化、操作簡(jiǎn)捷化、現(xiàn)象可視化、過(guò)程環(huán)?；膬?yōu)點(diǎn)，集中實(shí)現(xiàn)了氫氯氣體制備，氯化氫合成、吸收、檢驗(yàn)，氫氣驗(yàn)純，尾氣處理等諸多功能，適合中學(xué)課堂中化學(xué)工藝過(guò)程的教學(xué)。