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洗气 实验室制备少量氯气为何选用需加热的MnO2,而非其他氧化剂?

更新时间:2024-07-15 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

1、实验室制备氯气时,为什么选用需加热的MnO2作氧化剂,而不选用不需加热的KMnO4等?Io1物理好资源网(原物理ok网)

实验室使用少量氯气时,一般用浓盐酸氧化法制取。常用的氧化剂有KMnO4、MnO2(需加热)、漂白粉(有效成分次氯酸钙)等。反应如下:Io1物理好资源网(原物理ok网)

+16HCl=2KCl++8H2O+5Cl2↑;Io1物理好资源网(原物理ok网)

+14HCl=2KCl++7H2O+3Cl2↑;Io1物理好资源网(原物理ok网)

MnO2+4HCl(浓)Io1物理好资源网(原物理ok网)

MnCl2+2H2O+Cl2↑;Io1物理好资源网(原物理ok网)

Ca(ClO)2+4HCl=CaCl2+2H2O+2Cl2↑。Io1物理好资源网(原物理ok网)

以上列举的氧化剂中,只有MnO2可直接从自然界中得到,它是软锰矿的主要成分贝语网校,氧化MnO2生成氯气的方法也是化学家舍勒最初发现氯气的实验方法,因此至今仍普遍采用此法来生产氯气。Io1物理好资源网(原物理ok网)

强氧化剂氯酸钾也能和浓盐酸反应生成氯气:KClO3+6HCl=KCl+3H2O+3Cl2↑Io1物理好资源网(原物理ok网)

后来的研究发现,反应过程可能会产生一种副产物ClO2,这也是一种强氧化性气体,会干扰氯的化学性质。Io1物理好资源网(原物理ok网)

+4HCl=2KCl+2H2O+Cl2↑+2ClO2↑Io1物理好资源网(原物理ok网)

2、既然生产氯气的本质是氧化Cl-,为什么选择浓盐酸做还原剂,而不选择较便宜的NaCl?Io1物理好资源网(原物理ok网)

这与氧化还原反应发生的条件息息相关,氧化与还原虽然同时发生,但这两个过程却是独立的“半反应”。Io1物理好资源网(原物理ok网)

氧化过程看似简单:2Cl-2e-= Cl2↑,但还原过程却比较复杂。Io1物理好资源网(原物理ok网)

例如MnO2,其+4价的锰得到电子变成Mn2+后,两个-2价的氧会变成什么样呢?Io1物理好资源网(原物理ok网)

它将与溶液中的H+结合变成OH-或H2O:Io1物理好资源网(原物理ok网)

MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2OIo1物理好资源网(原物理ok网)

显然,从还原反应方程式可知,溶液中H+浓度越大(溶液酸性越强),反应越容易发生。MnO4-、MnO4-等氧化剂也会发生类似的过程。有兴趣的同学可以自行深入研究。Io1物理好资源网(原物理ok网)

也就是说,这是因为MnO2、MnO4-、MnO4-等氧化剂的氧化性在酸性条件下比在中性条件下强得多,氧化过程更容易发生,且反应速度更快。Io1物理好资源网(原物理ok网)

具体判断可以通过计算氧化剂和还原剂的电极电位来进行,由于涉及到的知识比较复杂,这里就不详细介绍了。Io1物理好资源网(原物理ok网)

3. 为什么要用水(或饱和盐水)除去氯气中的HCl?排出饱和盐水收集氯气的原理是什么?Io1物理好资源网(原物理ok网)

当浓盐酸被氧化产生氯气时,浓盐酸会蒸发产生HCl和H2O等杂质。Io1物理好资源网(原物理ok网)

使用酸性干燥剂(如浓硫酸)去除H2O相对容易。Io1物理好资源网(原物理ok网)

HCl 很难去除,因为几乎所有能与 HCl 反应的物质也能与 Cl2 反应。Io1物理好资源网(原物理ok网)

无奈之下,人们根据Cl2和HCl在水中溶解度差别较大的特点,设计了一种用少量的水(或饱和盐水)洗涤气体除去HCl的方法,虽然Cl2也会溶解,但其溶解度毕竟较小,溶解的量有限。Io1物理好资源网(原物理ok网)

用排出空气的方法很难收集不含空气的纯氯气。有时,如有必要,也可以用排出饱和盐水的方法收集氯气。Io1物理好资源网(原物理ok网)

之所以用饱和盐水,是因为与水相比洗气,氯在饱和盐水中的溶解度比在纯水中小。盐水降低了氯的溶解度,这与化学平衡原理有关:Io1物理好资源网(原物理ok网)

氯气+水Io1物理好资源网(原物理ok网)

H++Cl-+HClOIo1物理好资源网(原物理ok网)

盐水中较高浓度的Cl-的存在,可以抑制上述反应的发生,减少与水反应的Cl2的量,自然也降低了Cl2的溶解度。Io1物理好资源网(原物理ok网)

4.气体洗涤器能去除所有杂质吗?Io1物理好资源网(原物理ok网)

要回答这个问题,首先要分析一下气体洗涤的原理。Io1物理好资源网(原物理ok网)

以用浓硫酸洗涤Cl2(含有H2O蒸气杂质)为例,示意图如下:Io1物理好资源网(原物理ok网)

图中大球代表气泡,小白球代表氯分子洗气,黑球代表不纯净的水分子。Io1物理好资源网(原物理ok网)

硫酸对于水分子的作用并不像磁铁对于铁屑的作用,即使距离很远的水分子也会被磁铁吸引。Io1物理好资源网(原物理ok网)

所有气体分子(Cl2和H2O)在球体内部都做随机的热运动,只有当水分子移动到气泡边缘,直接与硫酸接触时,才与硫酸分子发生相互作用,被硫酸分子“捕获”并从气泡中除去。Io1物理好资源网(原物理ok网)

这样,在浓硫酸中,随着气泡的上升,移动到气泡边缘的H2O被硫酸吸收,随着气泡的上升,气泡中H2O蒸气的浓度逐渐降低,最终H2O的浓度降到很低的比例,大部分被除去。Io1物理好资源网(原物理ok网)

然而,未到达气泡边缘的 H2O 则无法被去除。Io1物理好资源网(原物理ok网)

从上面的分析可以看出,用气洗法不可能100%的除去所有杂质,只要杂质的比例降低到一定程度,就可以说杂质被除去了。Io1物理好资源网(原物理ok网)

基于以上原理,为了尽可能地利用洗涤法除去杂质气体,一是要增加洗涤液的量,使气泡在其中停留的时间尽可能长;二是使气泡尽可能小(如使用细导管),这样可以缩短杂质分子移动到气泡边缘的距离,增加杂质分子与洗涤液接触的机会。Io1物理好资源网(原物理ok网)

由于气体洗涤法不能保证将所有杂质气体分子完全除去,因此往往需要在气体洗涤瓶后增加一个装置,以检查(确认)杂质气体是否已被完全除去。Io1物理好资源网(原物理ok网)

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