氯气及液溴简便快速的实验室制法

实验原理

制取原理

过硫酸铵【(NH4)2S2O8】,也称过二硫酸铵,是一种铵盐,有强氧化性和腐蚀性。完全干燥的过硫酸铵不易分解,潮湿的会分解放出氧气和臭氧。易溶于水,水溶液在室温下也会分解。

过硫酸铵分子式

干燥的过硫酸盐为无色单斜结晶或白色粉末状结晶,易溶于水,在温水中其溶解度增高。干燥的过硫酸盐具有良好的稳定性,在潮湿空气中易受潮结块。过硫酸盐吸湿后在水溶液中能发生水解反应。根据 S2O82-在酸性条件下电极电势高达2.01V,可利用其强氧化性氧化氯离子得到氯气:

$$ \begin{aligned} &在酸性条件下,S_2O_8^{2-}的电极电势 φ^⊖_1 (S_2O_8^{2-}+2e^-/2SO_4^{2-})=2.01V\\ &(S_2O_8^{2-}+2H^+ + 2e^-/HSO_4^-)=2.123V \\ \\ &氯/氯离子的电极电势 φ^⊖_ 2 (Cl_2/Cl^-)=1.358V\\ &ε^⊖=2.01V-1.36V=0.65V\\ &ε^⊖>0,所以在298K及酸性条件下,S_2O_8^{2-}与Cl^-可以反应:\\ &Na_2S_2O_8+2NaCl==强酸性==2Na_2SO_4+Cl_2↑ \end{aligned} $$

实验设计

实验药品:食盐,过硫酸钠,过硫酸铵,少量浓硫酸,溴化钠

氯气的制取

  以常温下500ml氯气为例,将2.5g食盐和5.1g过硫酸钠充分混合,倒入烧瓶。将烧瓶放在如图所示装置上。

加入少量70%浓硫酸至快覆盖固体为止,以提供酸性环境。微微加热,以加快反应速率。(过二硫酸盐不稳定,受热易分解,因此不能温度太高)很快有大量黄绿色的氯气放出。此法氯离子的原子利用率较高。

溴及溴水的制备

有很多学校的实验室里没有溴和溴水,即使有,因为溴水易分解,不便保存,不久后就无法使用。再加之溴的毒性较大,因此涉及到溴的实验便几乎没有开展过。本方法可快速制得溴水或液溴以供实验所用。

由于在过硫酸铵水溶液中存在过硫酸铵的水解:

$$ \begin{aligned} &(NH_4)_2S_2O_8=2NH_4^++ S_2O_8^{2-}\\ &S_2O_8^{2-} + 2H_2O⇌2HSO_4^- + H_2O_2\\ &HSO_4^-=H^+ + SO_4^{2-}\\ &(NH_4)_2S_2O_8+H_2O⇌2NH_4HSO_4+H_2O_2 \end{aligned} $$

所以使过硫酸铵溶液中除了大量的铵根离子和过二硫酸根离子外,还存在少量的硫酸氢根离子和硫酸根离子,溶液水解显酸性,过硫酸铵即为氧化剂及酸性剂为一体的绿色氧化剂。

在酸性溶液中,H2O2的电极电位:

$$ \begin{aligned} &φ^⊖ 2H^+ + H_2O_2 + 2e^- == 2H_2O(1.776V) \\ & 溴/溴离子的电极电位:\\ &φ^⊖ Br_{2(aq)}+2e^-== 2Br^-(1.0873V) \end{aligned} $$

ε=1.776V-1.0873V=0.6887V

ε>0,所以在298K,及酸性条件下,S2O82-与Br可以反应。

由于过硫酸根水解,存在氢离子,溶液显酸性,故过硫酸铵在水溶液中可以直接与溴离子发生反应:S2O82-+ 2Br==酸性== 2SO42-+ Br2

硫酸铵溶解度较过硫酸钠更大且铵根离子比钠离子相对分子质量小,同质量过硫酸铵含S2O82-离子更多,因此,制备液溴使用过硫酸铵,S2O82-离子浓度更大,液溴易于沉底。

使用烧瓶作为反应容器,上接直型冷凝管+填充湿润熟石灰的干燥管。溴蒸气挥发时会在冷凝管凝结回流,多余的溴蒸气将被熟石灰吸收。

实验评价

  1. 原料易得,且廉价。
  2. 制得的氯气较为纯净,无易挥发的杂质,无需洗气。
  3. 效率较高,理论上5g食盐可制得298K时1L氯气。反应速率快。
  4. 制取完毕后废液含有硫酸,可稀释后用来实验室酸洗。

名词诠释

溴水:将过硫酸铵和溴化钠以质量比1:1放在试剂瓶中,加入较多的水,不久溶液变为橙黄色,即得到稀的溴水。

液溴:将饱和过硫酸铵溶液与饱和溴化钠溶液混合,置于右图所示装置中,微热,液溴即沉在烧瓶底部,用移液管吸出即可。液溴上层为饱和溴水,稀释可得实验所需稀溴水。

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Marugu Fuyeor
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