氯气制备的重要意义
氯气作为一种重要的化工原料,在工业、农业、生活等诸多领域都有着不可或缺的地位，在工业上，它是生产塑料、橡胶、纤维等众多高分子材料的关键原料，聚氯乙烯（PVC）塑料的生产就离不开氯气，PVC 广泛应用于管材、板材、电线电缆外皮等，在农业方面，含氯的农药对于防治病虫害发挥着重要作用，为保障农作物的产量和质量立下汗马功劳，在生活中，氯气是常用的饮用水消毒剂，能有效杀灭水中的细菌和病毒，确保居民饮用水的安全，鉴于氯气如此广泛的用途，掌握其制备方法至关重要。
氯气制备的基本原理
实验室制备氯气通常采用氧化浓盐酸的方法,最常用的化学反应方程式为：$MnO{2} + 4HCl(浓)\stackrel{\triangle}{=!=!=}MnCl{2} + Cl{2}\uparrow + 2H{2}O$，在这个反应中，二氧化锰（$MnO{2}$）作为氧化剂，将盐酸（$HCl$）中的氯离子氧化成氯气（$Cl{2}$），从氧化还原反应的角度分析，$MnO_{2}$中的锰元素化合价从 +4 价降低到 +2 价，得到电子被还原；$HCl$中的氯元素化合价从 -1 价升高到 0 价，失去电子被氧化。
也可以用高锰酸钾（$KMnO{4}$）、重铬酸钾（$K{2}Cr{2}O{7}$）等强氧化剂代替二氧化锰与浓盐酸反应来制备氯气，以高锰酸钾为例，反应方程式为：$2KMnO{4} + 16HCl(浓)=!=!=2KCl + 2MnCl{2} + 5Cl{2}\uparrow + 8H{2}O$，高锰酸钾的氧化性比二氧化锰更强，与浓盐酸反应不需要加热，反应速率更快。
实验室制备氯气的装置及操作
实验装置
- 气体发生装置：如果采用二氧化锰与浓盐酸反应，需要使用固液加热型装置，一般选用圆底烧瓶作为反应容器，分液漏斗用于逐滴加入浓盐酸，这样可以控制反应的速率，酒精灯用于加热，使反应在适宜的温度下进行，如果是用高锰酸钾与浓盐酸反应，由于不需要加热，可采用简易的固液不加热型装置，如锥形瓶和分液漏斗组合。
- 气体净化装置：制得的氯气中通常含有氯化氢气体和水蒸气，除去氯化氢气体可使用饱和食盐水，这是因为氯气在饱和食盐水中的溶解度很小，而氯化氢极易溶于水，除去水蒸气则使用浓硫酸，利用浓硫酸的吸水性，采用洗气瓶进行干燥，气体应从长导管进入，短导管排出。
- 气体收集装置：氯气的密度比空气大，且能溶于水，所以采用向上排空气法收集，收集氯气的集气瓶要干燥，瓶口向上，导管应伸到集气瓶底部，以便尽可能排尽瓶内的空气，收集到较纯净的氯气。
- 尾气处理装置：氯气有毒，为防止其污染空气，需要进行尾气处理，通常使用氢氧化钠溶液来吸收多余的氯气，反应的化学方程式为：$Cl{2} + 2NaOH=!=!=NaCl + NaClO + H{2}O$。
操作步骤
- 组装仪器：按照从下到上、从左到右的顺序组装好气体发生装置、净化装置、收集装置和尾气处理装置，并检查装置的气密性，检查气密性的方法是：将导管的一端浸入水中，用手紧握圆底烧瓶（或锥形瓶）外壁，如果导管口有气泡冒出，松开手后，导管内形成一段水柱，说明装置气密性良好。
- 添加药品：在圆底烧瓶（或锥形瓶）中加入适量的二氧化锰（或高锰酸钾），在分液漏斗中加入浓盐酸。
- 加热反应（若用二氧化锰）：点燃酒精灯，对圆底烧瓶进行均匀预热，然后集中加热，使反应开始进行，注意控制加热的温度和浓盐酸的滴加速度，以保证反应平稳进行。
- 收集气体：当观察到集气瓶内充满黄绿色气体时，说明氯气已收集满，收集满氯气的集气瓶用玻璃片盖好，正放在桌面上。
- 停止反应：反应结束后，先将导管从溶液中取出，防止倒吸，然后熄灭酒精灯（若用二氧化锰），关闭分液漏斗的活塞，停止加入浓盐酸。
- 尾气处理：确保尾气处理装置中的氢氧化钠溶液能充分吸收多余的氯气，反应结束后，对尾气处理装置中的溶液进行适当处理，避免污染环境。
工业制备氯气的方法
工业上制备氯气主要采用电解饱和食盐水的方法,又称为氯碱工业，其化学反应方程式为：$2NaCl + 2H{2}O\stackrel{电解}{=!=!=}2NaOH + H{2}\uparrow + Cl_{2}\uparrow$。
电解装置
- 阳极：通常采用石墨电极，氯离子在阳极失去电子被氧化成氯气，电极反应式为：$2Cl^{-}-2e^{-}=!=!=Cl_{2}\uparrow$。
- 阴极：一般用铁网或碳钢电极，氢离子在阴极得到电子被还原成氢气，同时生成氢氧化钠，电极反应式为：$2H{2}O + 2e^{-}=!=!=H{2}\uparrow + 2OH^{-}$，在实际生产中，为了防止氯气和氢气混合发生爆炸，以及避免氯气与氢氧化钠反应，需要用离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，离子交换膜只允许钠离子通过，这样既能保证电解反应的顺利进行，又能分别得到纯净的氯气、氢气和氢氧化钠。
生产流程
- 盐水精制：粗盐水中含有泥沙、钙离子、镁离子、硫酸根离子等杂质，这些杂质会影响电解过程和产品质量，首先通过沉淀法除去泥沙等不溶性杂质，然后加入适量的碳酸钠、氢氧化钠、氯化钡等试剂，除去钙离子、镁离子、硫酸根离子等可溶性杂质，最后通过过滤和离子交换等方法进一步精制盐水，得到符合电解要求的饱和食盐水。
- 电解：精制后的饱和食盐水进入电解槽，在直流电的作用下发生电解反应，分别在阳极和阴极产生氯气和氢气，同时在阴极室得到氢氧化钠溶液。
- 产品处理：从电解槽中出来的氯气含有水蒸气等杂质，需要经过冷却、干燥等处理步骤，得到干燥纯净的氯气，氢气也需要进行相应的净化处理，氢氧化钠溶液经过蒸发浓缩等工艺，可得到不同浓度的氢氧化钠产品。
氯气制备过程中的安全注意事项
- 防止中毒：氯气是一种有毒气体，在制备过程中要确保实验环境通风良好，在实验室中，最好在通风橱内进行操作，如果在工业生产中，要配备完善的通风设备和氯气检测装置，一旦发现氯气泄漏，操作人员应立即佩戴防毒面具，撤离现场，并采取相应的应急措施。
- 防火防爆：氯气能支持燃烧，与许多可燃性气体混合能形成爆炸性混合物，在制备和储存氯气的场所，要严禁烟火，防止可燃性气体泄漏，要定期检查设备和管道，防止氯气泄漏引发火灾和爆炸事故。
- 防止腐蚀：氯气和浓盐酸都具有腐蚀性，在选择实验仪器和工业设备时，要选用耐腐蚀的材料，实验室中的玻璃仪器要质量良好，工业上的管道和反应釜等要采用合适的耐腐蚀合金材料，在操作过程中，要避免浓盐酸与皮肤和衣物接触，一旦接触，应立即用大量清水冲洗，并根据情况进行进一步处理。
氯气的制备无论是在实验室还是工业生产中,都需要严格遵循相关的原理和操作规程，同时高度重视安全问题，以确保氯气的顺利制备和安全生产。
