氢氯混合气体见光爆炸实验探讨，本文主要内容关键词为：气体论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
氢氯混合气体见光爆炸是高中化学卤素部分的一个演示实验，是一个难度较大的实验。做好它，首先需要了解它的反应条件及其影响因素。
一、反应条件研究
氢氯混合气体在光照下发生反应生成氯化氢气体：
在正常情况下，反应的光量子效率为10[6]，即每吸收一个光子可产生10[6]个HCl分子，由于反应进行得很快，能引起爆炸。若条件控制得不好，反应引发不起或引发反应后立即出现链中断，致使实验失败。从分析反应原理出发，不难得出，反应能炸响即实验取得成功，必须具备两个条件：
条件一：在密闭容器内具有符合要求的氢氯混合气体。这混合气体要求：
1.符合一定的纯度。由于杂质气体尤其是氧气存在时，会消耗反应中的自由基，容易造成链中断。实验证明，杂质气体如空气、HCl等超过18%时，即使杂质仅为一种，当含氧量超过6%，实验就难以炸响了。原因是自由基原子氢和氧分子反应产生不活泼HO[,2]基，而它在不高的温度下不能反过来产生氢原子（因反应：HO[,2]+H[,2]=H[,2]O[,2]+H是一个强烈的吸热反应，它的活化能为100.5千焦），从而对氢氯光化反应起着抑制作用。其它杂质的作用也大致如此。
2.氢气、氯气比例要恰当。它们的体积比在理论上是1:1，但实验证明，氢气含量在16～62%（亦即氯气含量在33～34%）范围内均可发生爆炸，特别是氢气体积在36～50%（即氯气在50～64%）时爆声最大，效果最好。也就是说氢氯体积比约为1:1，只是氯气稍为过量一点，最适当。
3.混合要均匀。这实际上是一个反应物之间的接触面问题，它影响到参加反应物质的量，当反应率太低时，实验就难以成功了。
4.在引爆前，要尽量减少日光影响。日光是一种混合光，它含有多种单色光及紫外光，它对混合气体照射将会如何呢？为深入了解混合气体受日光影响的程度与时间关系，本人做了这样一些实验。
(1)把氢气氯气按1:1充入一支试管（标有刻度），倒扣于饱和食盐水（事先用氯气饱和之）中，如图示，置于日光中测定试管中不同时间的液柱高度。
A.实验环境：阴天、室内、常压、25℃、氢气氯气混合后0～3分钟液面几乎不变，3分钟后液面逐渐升高，并逐渐加快，升至试管70%高度时速度减慢，至30分钟后升至试管高度90%,24小时后升至95%，管内气层有白雾，液层管壁附有很多细微气泡，有些往上冒。
B.实验环境：晴天、室内、常压、25℃、无阳光照射，情况与上述类似，不同之处是液面从1分钟起开始上升。
把两者测定结果可整理成如曲线图表示。
结果表明：氢氯混合气体受日光照射会发生化合，并随日光强度加强而加快；随着化合的不断进行，氢气氯气都在逐渐减少。显然，试管内液面上升是反应生成的HCl溶于水后气压减小造成的，它反映了氢氯化合的程度。由此可知，受日光影响氢氯混合气体也会进行光化反应，虽然速度较慢，但逐渐转化成HCl，部分HCl又易溶于水，使瓶内压力减小，瓶外空气入侵，结果造成混合气体的纯度下降，当降至一定程度时，爆炸也就不能发生了，也由此得出混合气体的保存时间：阴天3分钟，晴天1分钟（仅一般而言，实际上应视当时日光强弱而定），就是说氢气、氯气一旦混合后应在此时间内引爆，如果需要超出此时间，则应做好避光措施。另外，本实验的微气泡现象也说明了有少部分氯气跟水反应，生成的HClO受光照分解而产生氧气，因此混合气体中氯比氢稍多是必要的。
(2)在不同情况下对气体混合到光照的间隔时间作了如下实验：
A：阴天，25℃，间隔时间：3分钟内，光照能炸响；3-5分钟,有时能炸响有时不能炸响；5分钟后不能炸响。
B：晴天，25℃，间隔时间：1分钟内，光照能炸响；1-2分钟，有时能炸响有时不能炸响；2分钟后不能炸响。
C：晴天，25℃，气体混合后置于教坛下的暗处，间隔时间1小时，仍能炸响。
D：晴天，25℃，气体混合后立即用黑色塑料袋（不能太薄）包裹好，间隔时间24小时仍能炸响。
由此得出，气体混合后到光照的所谓“间隔时间”问题，实际上是日光对混合气体的影响问题，其实质是日光照射使混合气体逐渐化合，导致容器内氢氯气体纯度降低，从而影响了实验的效果，鉴于如此，实验时应采取相应对策，尽量减少日光影响，就能提高实验的成功率，这一点是做好本实验的关键措施。如果实验前要精确地测出当时当地的日光强度，就像监测水库里的水位是否达到警界线一样，这样做既麻烦也不必要，实际上只要掌握了一些经验准则便可灵活驾驭这间隔时间了。
条件二，要有很强的光源照射，光照操作正确。由于这是一个由光量子引发的链式反应，需要有一定强度的光源照射才能进行。有资料表明，氢气氯气光化反应所吸收的光为波长400nm～436nm的紫色光（南开大学编《物理化学》61年8月），但实际上却是用紫外线辐射引发的效果最好。这是因为紫外线的光能大，例如，波长为200nm的紫外线它的爱因斯坦值为598.41千焦·摩[-1]，强烈的紫外线能促使氯分子解离为自由原子。镁带的燃烧可产生很强的紫外线，可用作引发光源，化学实验室常用的是燃烧镁，可取约5cm长的镁条，擦去表面氧化物，用坩埚钳夹持点燃后迅速移近混合气体容器约3～5cm处，片刻即能爆炸。有时为了增强光照强度，可同时点燃二根镁条以保证实验的成功。如无镁条，可用1份镁粉，2份氯酸钾（研细），轻拌匀（勿共研），制成闪光粉，实验时取蚕豆大体积闪光粉，用棉花包着放在铁片上，接近混合气体约3cm处，滴上2滴酒精点燃即可。
二、反应装置研究
氢氯混合气体的光化反应可采用的装置很多，形形式式，多种多样。尽管繁多，但归纳起来不外乎四种：
1.以A图为代表，这种装置由制氯、制氢和混合气体反应管三部分构成，实验操作为首先制氯气，然后光照并同时放出氢气，便可产生爆炸，成功率颇高。但装置麻烦，且操作时排出氢量要符合爆炸极限，多了会把过多氯气排掉而使实验失败，因此，操作要讲究技巧。
2.以B图为代表，这种装置由制氯、制氢兼混合气体反应管两部分构成，其操作：①制氯气使反应管充满；②从反应管中滴入2滴较浓盐酸制H[,2]，并排掉部分氯气而形成混合气体；③光照。这种装置还可以进一步简化成C图，但要先收集氯气，然后按②③操作。这种装置由于在氯气中又制氢气，同样存在着控制氢量的问题，一般来说，都是制得的氢气太多。这也可以凭现象来控制，当往反应管中加入小量盐酸后，立即产生气泡，直至使原来呈黄绿色变浅后即为混合气体，这时光照就能爆炸，光照宜早些，若气体的浅黄绿色都
消失了再去光照就太迟了。这种装置简便，但操作时要控制得恰到好处，就要讲究技巧和经验。
3.以D图代表，这种装置把制氢、制氯、收集、混合及反应都集于一支玻璃管内，高
度简练，且通过电解法产生混合气体，无论在纯度、比例还是混合方面气体质量较高。但电解制气费时，为防止氯气跟碱性电解液的反应要选择理想的电解液，在电解过程中要解决好电解液的排放问题，这些都是使用本装置必须面对的问题。
4.如书上方法，用集气瓶分别收集氢气、氯气再混合；或在一个集气瓶里收集两种气体，避光待用（此法改用试管收集更好）。
以上各种装置，各有优缺点，选用或设计时应以教育性、科学性、实验效果、效率为原则，从这一点出发，本人推崇课本的做法及装置。因为它原理鲜明，装置简练，特别是各种气体：氢气、氯气及其混合前后，引爆后的氯化氢都可供观察、比较，混合过程直观，操作简便，这些优点都是其余装置不能比拟的，可谓返璞归真。但实验对混合气体要求高，引爆前混合气体存放时间长，受日光影响大，这些都会影响到实验的效果。本人认为，只要掌握好下列几个环节，按书做要取得实验成功是不难的。
1.氯气的制取与收集。氯气用高锰酸钾与浓盐酸制取，用排饱和食盐水收集。如果用二氧化锰和浓盐酸制取氯气，实验有时不能炸响，究其原因，乃氯气纯度问题。本人试验过，在各环节不变情况下只改用前一种方法制氯气，实验往往都能成功。这是因为其反应快、气流大，容易把空气排净，且不含氯化氢，故得氯气纯度较高。氯气（氢气）无须干燥，因含有少量水蒸气有利于氯分子的离解。
2.混合。两种气体的集气瓶口对接，抽出玻片上下颠倒必须在三次以上，且每次要留有一定时间让气体流动，这样混合才均匀。
3.混合后的处理。为减少日光的影响，两种气体混合后要尽快引爆，如需保留随后实验用的混合气体，要及早做好封闭尤其是避光工作。
4.光照。如上所述，有个安全问题应注意。用试管保存混合气体时应塞上胶塞，其密闭效果好，而作光照引爆时，就必须改换上塑料片，以防炸破试管（甚至破碎严重！）而发生危险。用集气瓶实验时也要把玻片换成塑料片，避免伤人，不可忽视。