甲烷和氯气取代反应装置及方法与流程

本发明属于化学方法或设备技术领域，具体涉及到一种甲烷和氯气取代反应装置及方法。

背景技术：

目前中学化学实验中常用的甲烷和氯气取代反应装置是利用量筒和水槽，使用时先把量筒中灌满水，倒置在水槽中再通入甲烷排出部分水，再通入氯气排出剩余部分水，具体排出水的量根据需要甲烷和氯气的量来确定，然后再阳光下反应，待到一定时间后，反应终止。但是该反应装置在使用过程中存在的主要有以下问题：装置比较笨重，对于教师上课携带带来不便，且不易随时移动观察实验现象；试剂消耗量大，该装置中有用到水槽，需要的饱和食盐水量大，相对于主反应浪费严重，反应一经发生，所有食盐水全被污染；该反应装置为半开放系统，环保效果较差，若需进行重复试验易造成氯气外泄，造成环境污染；该装置的使用对熟练度要求比较高，很容易引起空气进入，影响实验效果；该甲烷和氯气取代反应在普通环境下反应速率比较慢，在课堂较短时间内很难出现所要是实验效果，影响课堂教学；在具体操作过程中，为使倒置的试管充满饱和食盐溶液，手要接触溶液，再取用其他仪器极易出现盐析和污染。

为解决上述问题，很多人也对该装置进行了改造，利用U型管作反应器，再管内注入饱和食盐水，再用注射器注入体积比为1:4的CH4和Cl2，在节能灯的照射下进行反应。但是该反应装置在使用过程中存在的主要有以下问题：该反应装置同样比较繁琐，器具太多，装配和拆卸不方便；该装置消耗的饱和食盐水较多，造成浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述氯代反应装置的缺点，提供一种结构紧凑、操作简单、携带方便、环保的甲烷和氯气取代反应装置及方法。

解决上述技术所采用的技术方案是：甲烷和氯气取代反应装置包括甲烷气体发生装置通过管道与取代反应发生装置相连，取代反应发生装置通过管道与回流装置相连，其特征在于：所述的取代反应发生装置为铁架台上设置有氯代装置，氯代装置为大试管的上端开口处设置有橡胶塞，橡胶塞上插有注射器，大试管的上端中部设置有隔板将大试管分为上腔体和下腔体，大试管的左侧设置有左支管，左支管与上腔体和下腔体相联通，左支管上设置有左三通阀，大试管的右侧设置有右支管，右支管与上腔体和下腔体相联通且右支管的下端伸入大试管的底部，右支管上设置有右三通阀，大试管和左支管以及右支管连为一体。

本发明的隔板与大试管口之间的距离是大试管总长度的1/6。

本发明的左支管的上端口高于右支管的上端口。

上述甲烷和氯气取代反应装置发生甲烷和氯气取代反应的方法，包括以下步骤：

(1)将氯代装置固定在铁架台上，右三通阀上连接有导管与饱和食盐水相联通，左三通阀上连接有洗耳球，旋转左三通阀使洗耳球与大试管下腔体相联通，旋转右三通阀使饱和食盐水与大试管下腔体相联通，挤压洗耳球使饱和食盐水充满大试管下腔体，旋转左三通阀使大试管上腔体与洗耳球相联通，旋转右三通阀使饱和食盐水与大试管上腔体相联通；

(2)将氯酸钾颗粒从大试管口放在隔板上，用橡胶塞将大试管口密封，橡胶塞上插有注射器，注射器内装有浓盐酸溶液；

(3)取下洗耳球，左三通阀上连接甲烷气体发生装置，甲烷气体发生装置与大试管上腔体相联通，启动甲烷气体发生装置，产生甲烷气体进入大试管上腔体内，待甲烷制备1～2分钟后，通过气体验纯法检验甲烷气体充满整个上腔体，停止甲烷气体制备反应，旋转左三通阀使大试管上腔体与下腔体相联通，旋转右三通阀使大试管下腔体与饱和食盐水相联通；

(4)将注射器内的浓盐酸注入大试管上腔体内，浓盐酸与氯酸钾反应产生氯气，氯气通过左支管进入大试管下腔体内，使大试管下腔体内的饱和食盐水液面下降，多余的饱和食盐水被压入装有饱和食盐水的容器内，当液面下降至指定刻度，旋转左三通阀阻断氯气进入大试管下腔体，通过注射器向大试管上腔体内注入氢氧化钠溶液，吸收多余的氯气；

(5)启动甲烷与氯气的氯代反应，选用蓝光灯作光源，观察大试管下腔体内实验现象，当液面逐渐上升，大试管下腔内部出现白雾，停止实验。

本发明的有益效果如下：

本发明集氯气制备与氯代反应为一体的装置，结构紧凑、轻巧便于移动携带，封闭环保，杜绝了空气混入的问题，避免了气液外溢；可按需要提高反应速率，适应课堂教学要求；实验操作的具体过程简单、方便，直观，安全，绿色化，实验药品用量少，装置小型化，有利于开展学生为主体的实验探究活动，有利于提高学生的动手实践和创新能力，易在普通中学推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中氯代装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

在图1中，本实施例的甲烷和氯气取代反应装置由第一大试管1、酒精灯2、木块3、第一铁架台4、第一橡胶塞5、第一硬质短管6、第一橡胶管7、第二铁架台8、氯代装置9、第二橡胶管10、烧杯11连接构成。

第一铁架台4的台面上放置有木块3，木块3上放置有酒精灯2，第一铁架台4的立柱上夹持有第一大试管1，大试管口塞有第一橡胶塞5，第一橡胶塞5的中部设置有第一硬质短管6，第一大试管1、酒精灯2、木块3、第一铁架台4、第一橡胶塞5、第一硬质短管6构成甲烷气体发生装置，位于第一铁架台4的一侧设置有第二铁架台8，第二铁架台8上夹持有氯代装置9，氯代装置9通过第一橡胶管7与第一硬质短管6相连，氯代装置9上连接有第二橡胶管10，第二橡胶管10的末端伸入到烧杯11内。

在图2中，本实施例的氯代装置9由第二大试管9-1、第二橡胶塞9-2、注射器9-3、左支管9-4、右支管9-5、左三通阀9-6、右三通阀9-7连接构成，第二大试管口塞有第二橡胶塞9-2，第二橡胶塞9-2上插有注射器9-3，注射器9-3用于装浓盐酸，第二大试管9-1的上端中部设置有隔板将第二大试管9-1分为上腔体和下腔体，隔板位于距大试管口1/6处，隔板上用于放置氯酸钾，第二大试管9-1的左侧安装有左支管9-4，左支管9-4与上腔体和下腔体相联通，左支管9-4上安装有左三通阀9-6，左三通阀9-6通过第一橡胶管7与第一硬质短管6相连，第二大试管9-1的右侧设置有右支管9-5，右支管9-5与上腔体和下腔体相联通且右支管9-5的下端伸入大试管的底部，右支管9-5的上端口低于左支管9-4的上端口，右支管9-5上安装有右三通阀9-7，右三通阀9-7上连接有第二橡胶管10，第二大试管9-1和左支管9-4以及右支管9-5连为一体。

采用上述的装置发生甲烷和氯气取代反应的方法，包括以下步骤：

(1)将氯代装置固定在第二铁架台上，烧杯11内放置有饱和食盐水，左三通阀9-6上连接有洗耳球，旋转左三通阀9-6使洗耳球与大试管下腔体相联通，旋转右三通阀9-7使饱和食盐水与大试管下腔体相联通，挤压洗耳球使饱和食盐水充满第二大试管下腔体，旋转左三通阀9-6使第二大试管上腔体与洗耳球相联通，旋转右三通阀9-7使饱和食盐水与第二大试管上腔体相联通；

(2)将5g氯酸钾颗粒从第二大试管口放在隔板上，用第二橡胶塞9-2将第二大试管口密封，第二橡胶塞9-2上插有注射器9-3，注射器9-3内装有5ml浓度为0.5mol/L浓盐酸溶液；

(3)取下洗耳球，左三通阀9-6上连接甲烷气体发生装置，甲烷气体发生装置与第二大试管上腔体相联通，启动甲烷气体发生装置，产生甲烷气体通过左支管9-4进入第二大试管上腔体内，待甲烷制备1～2分钟后，通过气体验纯法检验甲烷气体充满整个上腔体，停止甲烷气体制备反应，旋转左三通阀9-6使第二大试管上腔体与下腔体相联通，旋转右三通阀9-7使第二大试管下腔体与饱和食盐水相联通；

(4)注射器9-3向第二大试管上腔体内注入1mL浓盐酸，浓盐酸与氯酸钾反应产生氯气，氯气通过左支管9-4进入第二大试管下腔体内，使第二大试管下腔体内的饱和食盐水液面下降，多余的饱和食盐水被压入装有饱和食盐水的烧杯内，当液面下降至指定刻度即下腔体内剩余水是试管下腔体总体积的1/5时，旋转左三通阀9-6阻断氯气进入第二大试管下腔体，将装浓盐酸的注射器更换为装氢氧化钠溶液的注射器，并向第二大试管上腔体内注入4ml浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，吸收多余的氯气；

(5)启动甲烷与氯气的氯代反应，选用蓝光灯作光源，观察第二大试管下腔体内实验现象，当液面逐渐上升，第二大试管下腔内部出现白雾，停止实验。