制氯气实验释疑解惑
本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇，该书将于2021年底面世。
1. 实验室制取氯气时，氧化剂为什么选用需要加热的MnO2而非不需要加热的KMnO4、K2Cr2O7等？
实验室里用到少量氯气时，一般采用氧化浓盐酸的方法制备。常用氧化剂有KMnO4、K2Cr2O7、MnO2（需加热）、漂白粉（有效成分次氯酸钙）。反应如下：
2KMnO4 + 16HCl =
2KCl + 2MnCl2+ 8H2O + 5Cl2↑；
K2Cr2O7 + 14HCl =
2KCl + 2CrCl3 + 7H2O + 3Cl2↑；
MnO2 + 4HCl(浓) △
MnCl2+ 2H2O + Cl2↑；
Ca(ClO)2 + 4HCl =
CaCl2 + 2H2O+2Cl2↑。
上述所列氧化剂中，只有MnO2可以从自然界直接获得，它是软锰矿的主要成分，用MnO2氧化法制氯气也是当年化学家舍勒最初发现氯气的实验方法，故至今一般还是沿用这一方法制取氯气。
强氧化剂氯酸钾也能与浓盐酸反应产生氯气：
KClO3 + 6HCl = KCl + 3H2O + 3Cl2↑
后来的研究发现，该反应过程中可能产生副产物ClO2，它也是强氧化性的气体，会对氯气的化学性质形成干扰。
2KClO3 + 4HCl =
2KCl+ 2H2O + Cl2↑+ 2ClO2↑
2. 既然制取氯气的本质是氧化Cl-，还原剂为什么选用浓盐酸而不选用便宜的NaCl？
这跟氧化还原反应发生的条件有密切关系。氧化和还原虽然同时发生，但这两个过程却是分开的“半反应”。
氧化过程似乎很简单：2Cl- -2e- = Cl2↑，但还原过程就比较复杂了。
比如MnO2，它的+4价锰得电子变为Mn2+后，两个-2价氧变成什么？
它会跟溶液里的H+结合变为OH-或H2O：
MnO2 + 2e- + 4H+ = Mn2++ 2H2O
显然，从还原反应的方程式看，溶液中H+ 浓度越大（溶液的酸性越强），则反应越容易发生，MnO4-、Cr2O72-等氧化剂也发生类似的过程，有兴趣的同学可以独立深入研究一下。
换句话说，是因为MnO2、MnO4-、 Cr2O72- 等氧化剂在酸性条件下氧化性比在中性条件要强得多，氧化过程更容易发生且反应更快。
具体可通过氧化剂、还原剂的电极电势计算进行判断，由于涉及的知识比较复杂，这里就不详细介绍了。
3. 为什么用水（或饱和食盐水）除去氯气中的HCl？排饱和食盐水法收集氯气的原理何在？
氧化浓盐酸制取氯气时，浓盐酸会挥发产生HCl、H2O等杂质。
除去H2O比较容易，使用酸性干燥剂（如浓硫酸）即可。
除去HCl就难了，因为几乎一切能跟HCl发生反应的物质，都可以跟Cl2发生反应。
无奈之下，人们根据Cl2和HCl在水中溶解度差异较大这一事实，设计了用少量水（或饱和食盐水）洗涤气体的方法除去HCl，虽然Cl2也会有所溶解，但毕竟其溶解度小，溶解的量有限。
排空气法很难收集到纯净、不含有空气的氯气。有时为了需要，也可采用排饱和食盐水的方法收集氯气。
之所以采用饱和食盐水，是因为与水相比，氯气在饱和食盐水里的溶解度比在纯水里要小一些，食盐水降低氯气溶解度，与化学平衡原理有关：
食盐水中有较大浓度的Cl-，可抑制上述反应的发生，跟水反应的Cl2 的量减少，Cl2的溶解度自然随之减小。
4. 洗气瓶能够除尽杂质气体吗？
要回答这个问题，首先要分析清楚气体洗涤的原理。
以用浓硫酸洗涤Cl2（含有H2O蒸气杂质）为例，图示如下：
图中大球表示一个气泡，其中的小白球表示氯气分子，黑球表示杂质水分子。
硫酸对水分子的作用并不像磁铁吸引铁屑一样，距离较远即会吸引过去。
所有气体分子（Cl2和H2O）在球内做无规则热运动，只有当水分子运动到气泡的边缘直接接触到硫酸时，才可能跟硫酸分子发生作用被硫酸分子“捕捉”到，而从气泡内除去。
这样，气泡在浓硫酸中上升的过程中，运动到气泡边缘的H2O即被硫酸吸收，随着气泡的上升，其中H2O蒸气的浓度逐渐减小，最终H2O的浓度降低到很低的比例，大部分被除去。
而始终未到过气泡边缘的H2O是不可能被除去的。
通过以上分析可知，洗气法除去杂质的操作都是不可能100%地除掉所有杂质的，只要把杂质的比例降低到一定程度，我们就可以说杂质被除尽了。
基于上述原理，要想尽可能地运用洗气法除去杂质气体，一是增加洗涤液用量，使气泡在其中停留时间尽可能长；二是使气泡尽可能小（比如使用细的导管），这样可以缩短杂质分子运动到气泡边缘的距离，增加杂质分子跟洗涤液接触的机会。
由于洗气法不能保证完全除去所有杂质气体分子，所以很多时候要在洗气瓶后增加装置，以检验（确认）杂质气体是否已经被除尽。