【种花家务·化学】2-1-01氯气的性质——『数理化自学丛书6677版』

2023-01-02 15:26 作者:山嵓 0人读过 | 我要投稿

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第一章卤族元素

§1-1氯气的性质

引言

【01】氯的元素符号是 $Cl$ ，原子量是35.5。氯气的分子式是 $Cl_2$ ，分子量是71。

【02】氯气是一种有毒的气体，在第一次世界大战快要结束的时候，德帝国主义为了作垂死的挣扎，曾把氯气用作军事毒气，在战场上施放，这当然不能挽救他最后的失败。一般大家都知道氯气是一种很厉害的毒气，但它究竟有些什么样的性质呢？下面我们先来研究氯气的性质。

氯气的物理性质

【03】氯气在普通状况下是一种黄绿色的气体。如果在一瓶贮盛氯气的玻璃瓶的后面，放一张白纸，这种黄绿的颜色就特别明显。“氯”就是因它的颜色而得名的，它的希腊原文就是“绿色”的意思。

【04】氯气具有剧烈刺激性的气味。我们平常用的漂白粉能放出微量的氯气，打开贮放漂白粉的瓶盖，可以闻到这种刺激性的气味。氯气有毒，它能刺激我们的鼻粘膜和喉头粘膜。吸入少量的氯气，就会引起咳嗽和胸部疼痛；吸入多量时，会窒息死亡。在实验室里如果要闻氯气的气味，千万不能把鼻子凑到瓶口直接去闻，而要用手轻轻地在瓶口搧动，使仅有极微量的氯气飘近鼻孔（见第一册附录图附31）【山注，化1-6-02，传送门CV20878771】。

【氯气对人体的作用主要在呼吸器官方面。少量的氯气能引起呼吸器官的发炎、咳嗽并感觉到呼吸困难。氯气和呼吸器官的粘膜相接触，就和粘膜上的水分反应： $2Cl_2%2B2H_2O%3D4HCl%2BO_2$ [山注，B站专栏公式代码2Cl_2+2H_2O=4HCl+O_2]产生的氧能氧化并破坏粘膜的组织；产生的盐酸也能刺激粘膜，引起垂诞、流泪等病症。在严重中毒时，将因引起肺肿以至因窒息而死亡。所以氯气是一种窒息性毒气。】

【05】氯气的分子量是71，根据气体克分子体积的定义（第一册§3-11)【山注，化1-3-11，传送门CV20623994】可以算出，在标准状况下，1升氯气的重量应该是 $%5Cfrac%7B71%7D%7B22.4%7D%20$ =3.17克，这和实际测得的结果正相符合.我们已知1升空气在标准状况下的重量是1.29克，因此，氯气比空气重，它是同体积空气重量的 $%5Cfrac%7B3.17%7D%7B1.29%7D%20$ =2.5倍。因此，如果要把氯气暂时保存在容器里，应该把容器直放，并用厚纸板或玻璃片盖住容器的口，和第一册第三章里讲过保存二氧化碳气体的方法一样【山注，化1-3-04第23段，传送门CV20562699】。

【06】氯气在加压或冷却的情况下容易变成液体。在常温下只要加6个大气压的压强，或者在常压下冷却到-34℃时，氯气就会液化变成一种黄色油状的液体，把氯气液化可使体积大大减小，便于贮存和运输。平常我们常把液氯贮存在圆柱形钢筒（和贮存压缩氧气的钢筒相同，见第一册图2-9）里【山注，化1-2-05，传送门CV20385731】。把液氯继续冷却至一101℃，就凝成黄色固体。

【07】氯气在水里的溶解度，不仅比难溶的氢气、氧气要大得多，而且比溶解度不算太小的二氧化碳也还要大一些。在常温下，1体积的水大约能够溶解2.5体积的氯气。氯气的水溶液叫做氯水，有强烈的氯气的气味。

氯气的化学性质

【08】氯气的化学性质很活动，它能够跟氢气、所有的金属以及大部分的非金属直接化合，它还能够跟水、许多有机化合物发生反应。下面是一些实际例子，可以说明氯气的这种活动性质。

1、氯气跟金属的化合反应

【09】氯气能够跟所有的金属化合，许多金属能够在氯气里燃烧。例如把燃着的小块金属钠放进盛有氯气的集气瓶里，金属钠能继续燃烧，生成氯化钠，反应的化学方程式是： $2Na%20%2BCl_2%20%3D2NaCl$ 【山注，2Na +Cl_2 =2NaCl】

【10】金属钠是一种柔软的银白色金属，可以用小刀切割。因为金属钠在空气里非常容易被氧化，跟水又能起剧烈反应，因此，平时都保存在煤油里。做这个实验的时候，先用镊子从煤油里夹出一小块金属钠，用滤纸吸干它表面的煤油，然后放在小块石棉布上，加热至钠开始燃烧，迅速连同石棉布一起放在燃烧匙里（这里所以要用石棉布，是为了防止燃烧匙本身也燃烧起来。因为燃烧匙一般是用铜制成的，在高温时，铜在氯气里也会燃烧），插进盛氯气的集气瓶里。金属钠在瓶里继续燃烧，发生明亮的黄色火焰，并有浓厚的白烟产生，这就是氯化钠( $NaCl$ )的微粒。钠燃烧完毕后，可以看到集气瓶的内壁和石棉布上都附着有白色氯化钠的薄层（图1-1）。

【11】除金属钠以外，铜、铁等金属也都能在氯气里燃烧，生成氯化铜、氯化铁等。它们反应的化学方程式是：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7D%26%26Cu%2BCl_2%3DCuCl_2%5C%5C%26%262Fe%2B3Cl_2%3D2FeCl_3%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}&&Cu+Cl_2=CuCl_2\\&&2Fe+3Cl_2=2FeCl_3\end{eqnarray}】

【12】找一段废旧的电线，剥去电线的外皮，取出里面的细软铜丝，把一束这种细软铜丝，先在酒精灯上灼热到发红的程度，趁热迅速插入贮有氯气的集气瓶里，铜丝就会在瓶里燃烧起来，产生一股浓厚的棕黄色的烟，这就是氯化铜的微粒。铜丝燃烧完毕后，在集气瓶里注入少量的水。用玻璃片盖住瓶口，加以摇动，结果瓶中生成绿色的氯化铜溶液(图1-2)。

【13】在做铁在氯气中燃烧的实验时，应先在盛氯气的集气瓶底铺一层细砂，这样可以防止燃着的铁屑落入瓶底时把集气瓶爆裂。先把少量的铁丝绒放在薄铁片上加热，当铁丝绒开始红热时，用手指轻弹铁片，使撒入贮有氯气的集气瓶中，铁立刻就在氯气中燃烧起来，发出明亮的火花，同时生成褐色的氯化铁（图1-3）。

2、氯气跟氢气的化合反应

【14】氯气跟氢气在常温时化合非常缓慢，但在太阳光直接照射下，或点燃氯气和氢气的混和气体时，立即发生猛烈的爆炸，化合生成氯化氢气体。氯气跟氢气化合反应的化学方程式是：

$H_2%2BCl_2%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%5C!%3D%5C!%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E7%82%B9%E7%87%83%E6%88%96%E7%85%A7%E5%85%89%7D2HCl$

【山注，H_2+Cl_2\mathop{=\!=\!=\!=\!=}\limits^{点燃或照光}2HCl】

【15】先把氯气和氢气分别盛在两个集气瓶里，用玻璃片把瓶口盖好。把这两个集气瓶瓶口相对迭合在一起（图1-4(a)，然后抽去两瓶间的玻璃片，把两集气瓶上下颠倒反复多次，使两瓶气体充分混和（图1-4(b))。然后把两瓶分开，各用玻璃片盖好，并在瓶外用抹布裹住。然后取去玻璃片，把集气瓶口朝着酒精灯火焰（图1-4(c))，瓶里的混和气体就会发生没有危险的爆炸。爆炸后立刻向集气瓶里注入5~10毫升的水，用玻璃片把瓶口盖好，并加摇动。再在瓶里滴入紫色石蕊试液四五滴，紫色石蕊立即变成红色（氯化氢的水溶液就是盐酸）。做这个实验时，在点燃混和气体以前，一切操作都只能在微弱的光线下进行，干万不要让强光直接照射。否则在混和这两种气体时，可能发生爆炸的危险。

【16】如果让氢气在氯气里燃烧，结果也同样能够相互化合生成氯化氢气体（图1-5）。在做这个实验时，必须注意点燃氢气以前，一定要经过检纯的手续（第一册§2-12）【山注，化1-2-12第14段，传送门CV20428697】。

【17】氯气不仅能够跟氢气直接化合，还能夺取某些含氢化合物里的氢，与之化合生成氯化氢气体。如果用一条蘸有松节油（松节油的主要成分是 $C_%7B10%7DH_%7B16%7D$ )的滤纸，放进贮有氯气的集气瓶里，氯气能夺取松节油分子里的氢生成氯化氢气体，同时把松节油分子里的碳游离出来。这时我们就会看到滤纸条上面很快就蒙上一层黑烟（碳），同时瓶里充满了白雾，这白雾就是反应后生成的氯化氢溶解在空气里的水蒸气所成的盐酸珠滴（图1-6）【如果氯气是干燥的，又几乎不混有空气，所用的松节油又是纯净的，这时滤纸还会燃烧起来】。氯气跟松节油的化学反应，可用下面的化学方程式表示：

$C_%7B10%7DH_%7B16%7D%2B8Cl_2%3D16HCl%2B10C$ 【山注，C_{10}H_{16}+8Cl_2=16HCl+10C】

3、氯气跟非金属的化合反应

【18】除了碳、氧、氮等少数几种非金属以外，氯气能跟大部分的非金属直接化合，例如磷能够在氯气里燃烧。

【19】把少量红磷放在燃烧匙里，先用酒精灯的火焰加热到开始燃烧，迅速插入贮有氯气的集气瓶里，磷在氯气里继续燃烧，发出很淡的火焰。反应结果生成三氯化磷和五氯化磷： $%5Cbegin%7Beqnarray%7D%26%262P%2B3Cl_2%3D%5Cmathop%7B2PCl%0A_3%7D%5Climits_%7B%E4%B8%89%E6%B0%AF%E5%8C%96%E7%A3%B7%7D%5C%5C%26%262P%2B5Cl_2%3D%5Cmathop%7B2PCl%0A_5%7D%5Climits_%7B%E4%BA%94%E6%B0%AF%E5%8C%96%E7%A3%B7%7D%5Cend%7Beqnarray%7D$