【原】氯气性质实验现象深度解析

王笃年 2021-10-11

展开全文

对氯气性质实验现象的深度解析

本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇。该书拟于2021年底出版。

1. 烟和雾有何不同？为什么H₂在Cl₂里燃烧时“瓶口处有雾形成”，钠在Cl₂里燃烧时“生成大量白烟”，而磷在Cl₂里燃烧时则“生成大量白色烟雾”？

一般的，由于很难用肉眼辨别烟和雾的不同，文学家对烟和雾往往是不详细区分的，但化学家不同。在化学领域里，烟和雾都属于气溶胶的范畴。其分散剂均为气体，但分散质不一样，烟是指固体小颗粒弥漫在空气里形成的气溶胶；而雾则是小液滴弥漫在空气里形成的。

H₂在Cl₂里燃烧，产物为极易溶解于水的HCl，它跟空气里的水蒸气结合即形成盐酸的小液滴，故描述为“白雾”；金属Na、Cu、Fe等在Cl₂里燃烧，产物均为固体氯化物颗粒，故描述为“烟”（三种“烟”的颜色不同）；而磷跟氯气反应，产物里往往既含有常温下呈液态的PCl₃（无色）又含有常温下呈固态的PCl₅（白色），两者混合在一起，故描述为“白色烟雾”。

2. 为何CuCl₂溶液颜色跟CuSO₄溶液不同？

CuSO₄溶液呈蓝色，这是因为[Cu(H₂O)₄]²⁺离子为蓝色。在CuCl₂溶液里，存在[Cu(H₂O)₄]²⁺离子的同时，还有另一种离子[CuCl₄]^2-，该离子呈黄色。

当这两种离子浓度接近的时候，溶液呈现蓝色与黄色的复合色——绿色。若把CuCl₂的浓溶液稀释，则蓝色的[Cu(H₂O)₄]²⁺离子比例变大而黄色的CuCl₄^2-比例变小，溶液由绿色→蓝绿色→蓝色过渡；相反，若向硫酸铜溶液中加固体NaCl搅拌，也会看到溶液颜色由“蓝色→蓝绿色→绿色”过渡的过程。

这些实验都很简单，有兴趣的同学不妨课余时间做做看。

3.我们常说H₂在Cl₂中燃烧，H₂在O₂中燃烧。那么，Cl₂能不能“在H₂中燃烧呢”？

能。答案是肯定的。

首先从理论上分析。燃烧的本质是什么？所谓燃烧，就是一个发光、放热的剧烈的氧化还原反应过程。只要是H₂、Cl₂以合理的方式接触，并达到一定的温度（着火点），就可以发生以上“发光、放热的剧烈的氧化还原反应”。所以，把Cl₂通入H₂中，并在管口处点燃，理论上二者是可以持续地发生氧化还原反应并放出大量热的。

参观盐酸厂就可以发现，Cl₂在H₂中燃烧竟然就是事实！如下图示：

为什么要这么做呢？从示意图中可以看到，这样做的话，从燃烧炉出来的气体成分为HCl和H₂的混合物，送到吸收塔用水吸收掉HCl 后，不溶解于水的H₂经过干燥回到燃烧炉，生产过程很顺利。如果相反，让H₂在Cl₂中燃烧的话，则从燃烧炉内出来的气体是HCl和Cl₂的混合物，用水吸收时，Cl₂也会有一部分溶解于水中，这样得到的盐酸就会具有氯水的强氧化性，是不合格的。

由此可见，人们常常把燃烧现象说成是“可燃物（还原剂）”在“助燃物（氧化剂）”中燃烧，只是一种习惯。这跟人类早期认识到的燃烧现象主要是草、木、煤炭等还原性物质在空气里燃烧有关。

4. 氯气和次氯酸都有强氧化性，氯水使有色物质漂白，为什么一定要说是次氯酸的强氧化性所致？

首先，实验证明干燥的氯气的确不具有漂白性而氯水具有。这一事实反映出的是，次氯酸的氧化性比氯气还要强一些。

其次，长期的研究中人们注意到，一切具有漂白性的物质，几乎都是常温下可以自动释放出原子态氧[O]的，如O₃、H₂O₂、Na₂O₂（水解产生H₂O₂，H₂O₂不稳定分解产生[O]，[O]相互结合形成O₂）、HNO₃等。联系到HClO不稳定，常温下即可分解放出O₂ 的事实，人们自然认定氯水中起漂白作用的是HClO，而非Cl₂。