学生讲义之一（Student Handout I）
实验介绍
本实验的目的是以注射筒进行氢气与氯气的微量製备，并利用燃烧镁带产生紫外光当作光化学反应的光源，照射装在注射筒中的氢气与氯气之混合气体，观察反应的变化情形并检验反应后产生气体的性质。
氢气和氯气在室温下并不发生反应，就像氢气和氧气一样。然而，若氢气在空气中被点燃，则会达到活化能而发生快速反应并产生火焰。由于此反应为放热反应，因 此温度急速上升，局部区域的气体快速膨胀，而造成爆炸。若在紫外光的照射下，则氢气和氯气也可以达到活化能而发生光化学反应，如反应式[1]所示：
H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)? ? [1]
紫外光加速氢气和氯气的光化学反应是自由基的链锁反应，起始步骤是氯分子吸收紫外光，导致Cl－Cl键断裂，而形成氯原子自由基，每个氯原子有一个未成对电子，如反应式[2]所示。
Cl2(g) → Cl?(g) + Cl?(g)? ? [2]
Cl－Cl的键能有243千焦/莫耳，其能量相当于波长约500 nm，亦即在蓝绿区域的可见光区，此键能可以被紫外光打断。
在紫外光下，氢气与氯气的链锁反应之反应机构，如反应式[2]～[4]所示：
Cl2(g) → Cl?(g) + Cl?(g)? ? [2] Cl?(g) + H2(g) → HCl(g) + H?(g)? ? [3] H?(g) + Cl2(g) → HCl(g) + Cl?(g)? ? [4]
氢气与氯气的结束链锁反应，如反应式[5]～[9]所示：
2Cl?(g) → Cl2(g)? ? [5] 2H?(g) → H2(g)? ? [6] H?(g) + Cl?(g) → HCl(g)? ? [7] H?(g) + O2(g) → HO2?(g)??(含有空气时)? ? [8] Cl?(g) + O2(g) → ClO2?(g)??(含有空气时)? ? [9]
虽然在整体的光反应中，反应物（氢气和氯气）与产物（氯化氢）的莫耳数变化并没有增减，但是由于此反应为放热（93 kJ/mol HCl）反应，因此导致产物气体和混合气体的温度快速上身而造成膨涨，使得注射针橡皮塞向外喷出。
氢气与氯气反应产生的产物为氯化氢气体，若氯化氢气体与氨气混合，则有白色烟雾产生，因此可以用氨气来检验氯化氢气体，其反应如反应式[10]所示。
HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)? ? [10]
药品和器材
1. 注射筒（容量50 mL）并附注射筒橡皮塞??3个/组
2. 剪刀（小支）??1支/组
3. 烧杯（100 mL）??3个/组
4. 直尺??1支/组
5. 量筒（10 mL）??1支/组
6. PE滴管（3 mL）??1支/组
7. 电子天平（0.01 g或更精确）??2台/班
8. 保特瓶（1000 mL）??1个/组
9. 护目镜??1副/组
10. 铁架及铁夹??1组/组
11. 乳胶手套??1副/组
12. 镁带（Magnesium, Mg）??5 cm/组
13. 镁带（Magnesium, Mg） 10 cm/组
14. 打火机??1个/组
15. 太阳眼镜??1副/组
16. 耳塞??1副/组
17. 3% 次氯酸钠溶液（sodium hypochlorite, NaOCl, solution）??10 mL/组
18. 1.0 M盐酸（Hydrochloric acid, HCl(aq)）??100 mL/组
19. 浓氨水（Conc. ammonia water, NH3(aq)）??5 mL/组
实验步骤
A：氢气的製备
1. 用剪刀取约5公分（约0.050克）的镁带，备用。
2. 取一个注射筒橡皮塞紧密地套住一支塑胶注射筒（编号A）的前端出口处，并在注射筒内装约20 mL的自来水，如图一所示。
图一 注射筒内装自来水
3. 放置步骤1的镁带于注射针筒内，使其沉于底部，如图二所示。
图二 放置镁带于注射针筒内
4. 插入针筒推桿（活塞）到注射筒内，先手持注射筒使开口朝上，取下注射筒橡皮塞，推进针筒推桿，以排除空气。然后放置于一个保特瓶的瓶口，推进针筒推桿，以排除大部分的水，避免残留空气，如图三所示。
图三 排除空气及大部分水
5. 拉起注射筒的针筒推桿，吸取约20 mL的1.0 M HCl，如图四所示，并迅速套住橡皮塞。此时开始发生反应而产生气泡，立即手持注射筒橡皮塞朝下并压住桌面，使之紧密连接在一起，以避免气体从注射筒的开口处逸出。随后反应快速发生，针筒推桿会往外推开。
图四 注射筒吸取稀盐酸
6. 在反应完全后，卸下橡皮塞。放置此注射筒于一个保特瓶的瓶口上，排除未反应的稀盐酸，保留氢气在注射筒中，如图五所示。
图五 在反应完全后，排除未反应的稀盐酸
7. 在完全排除未反应的稀盐酸后，套上注射筒橡皮塞，收集约30 mL的氢气备用，如图六所示。
图六 注射筒A收集约30 mL的氢气
B：氯气的製备
1. 取另一支注射筒（编号B），先在开口前端处连接一小段的橡皮管，于橡皮管的一端套上橡皮塞。然后倒入约20 mL的自来水到注射筒内，如图七所示。
图七 注射筒倒入自来水
2. 插入针筒推桿（活塞）到注射筒内，先手持注射筒使开口朝上，取下注射筒橡皮塞，推进针筒推桿，以排除空气。然后放置于一个保特瓶的瓶口，推进针筒推桿，以排除大部分的水，避免残留空气，如图八所示。
图八 排除空气及大部分水
3. 手戴乳胶手套，以避免接触次氯酸钠漂白水（NaOCl溶液）。先吸取约5.0 mL的3%次氯酸钠漂白水，如图九所示。
图九 吸取次氯酸钠溶液
4. 再吸取约20 mL的1.0 M HCl，如图十所示。套上注射筒橡皮塞，此时开始发生反应而产生气泡，立即手持注射筒橡皮塞朝下并压住桌面，使之紧密连接在一起，以避免气体从注射筒的开口处逸出。随后反应快速发生，针筒推桿会往外推开。
图十 吸取稀盐酸
5. 在反应完全后，卸下注射筒橡皮塞。放置此注射筒于保特瓶瓶口上，排除未反应的稀盐酸，保留氯气在注射筒中，如图十一所示。
图十一 排除未反应的稀盐酸
6. 在完全排除未反应的稀盐酸后，套上注射筒橡皮塞，收集约30 mL的氯气备用，如图十二所示。
图十二 注射筒B收集约30 mL的氯气
连结：氢气与氯气的光化学反应〔II〕
