[教學論文]噴泉實驗的探究

[教學論文]噴泉實驗的探究

 噴泉實驗的探究
摘要：噴泉實驗是中學化學最典型的實驗之一,顏色壯觀,效果明顯,趣味性強。是體現(xiàn)眾多知識和能力的交匯點，也是高考的熱點之一。研究噴泉實驗?zāi)軌蚝芎玫嘏囵B(yǎng)學生觀察、記憶、分析、創(chuàng)新能力。本文旨在通過對“噴泉”實驗的多方位、多層次的剖析，達到強化基礎(chǔ)，寓教于樂,激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。
關(guān)鍵詞：吸入式噴泉、壓出式噴泉、特殊的噴泉
 
 噴泉是一種宏觀的液體噴涌現(xiàn)象,形成噴泉的關(guān)鍵是形成內(nèi)外壓強差。具體來說，有兩種常見類型：“吸入式噴泉”和“壓出式噴泉”
一、“吸入式噴泉”
 裝置上方容器密閉，下方是開放的。是通過迅速減小上方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產(chǎn)生噴泉。
用物理方法形成壓強差。
利用離心力。
 如圖1所示,取透明水槽一個,20cm長玻璃直角導(dǎo)管一根。實驗時,將玻璃直角導(dǎo)管較長一端浸入水中,用洗耳球吸去導(dǎo)管中空氣使導(dǎo)管充滿水,馬上用手搓動直導(dǎo)管部分,使它做圓周運動,由于離心作用,水被甩出,玻璃導(dǎo)管的c段呈真空,水不斷得到補充,從導(dǎo)管口可以看到源源不斷的水噴灑出來形成環(huán)狀噴泉。
利用液壓差。
 如圖2所示，當水沿出水管流出時,封閉的玻璃管中空氣的體積增大,壓強減小,使管外大氣壓強大于管中空氣的壓強,所以水能從噴嘴噴出。噴射的水柱高度由儲水槽到接水槽水平面的高度差來決定。
 水柱噴射高度的計算方法如下:設(shè)空氣壓強為p0,玻璃噴管中的空氣壓強為p,接水槽到儲水槽的高度差為H,儲水槽液面到玻璃管中液面的高度差為s,噴射水柱高度為h.則儲水槽液面的壓強應(yīng)滿足
 p0=ρgs+ρgh+p,
 接水槽液面的壓強也應(yīng)滿足
 p0=ρgH+ρgs+p。
 由以上兩式可得H=h,即水柱高度等于出水口到進水口的高度差,由于水與管之間有阻力,因而實際上h<H。該實驗不僅說明了大氣壓的存在,同時也是利用大氣壓的一個很有趣的實驗。
 2、用化學方法形成壓強差。
這也是課本上常見的類型。這里的化學方法指的中學化學課本所介紹的方法，包括上方容器中氣體應(yīng)極易溶于下方溶液或發(fā)生化學反應(yīng)而被下方溶液吸收。①如果氣體易溶水，如:HCI、HBr、NH3、體積比為4:1的NO2與O2的混合物等，溶液用水就可形成噴泉，此時還要求燒瓶必須干燥。②如果氣體不易溶于水，但易溶于有機溶劑，可用有機溶劑來代替水，如：Cl2易溶于CS2、CC14等有機溶劑。③如果氣體在水中溶解度不大，但是酸性氣體。如：CO2,H2S,C12等，可用濃度相對較大的NaOH溶液來代替水。④其它兩兩反應(yīng)的，如乙烯與溴水也可形成噴泉。
 引發(fā)噴泉的方式有以下幾種：
 2．1、溶解法。
 如圖3所示。膠頭滴管充滿液體，燒瓶中氣體極易溶于液體或發(fā)生化學反應(yīng)被吸收。只要擠壓一下膠頭滴管，實驗開始。
 2．2、熱捂法。
 如圖4所示。用熱毛巾加熱燒瓶中的氣體,由于熱脹冷縮, 一部分氣體膨脹溶于下面液體,移開熱毛巾冷卻,由于P外界大氣壓>P瓶內(nèi)氣壓,便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。
 2．3、冷敷法。
 如圖2所示。用冰水中浸過的毛巾冷卻燒瓶中的氣體,由于熱脹冷縮,P外界大氣壓>P瓶內(nèi)氣壓,導(dǎo)管中的液體壓入瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。（注：熱捂與冷敷最好根據(jù)氣溫而定,一般氣溫較高時用冷敷效果較好,氣溫較低時用熱捂效果較好。）
 2．4、活性炭吸附法。
 由于許多氣體都可以被活性炭吸附，在上述圖2實驗裝置中增加一個盛有活性炭的圓管（如圖5所示）。先將一帶有導(dǎo)管和短玻璃管(盛有活性炭)的橡皮塞塞緊集滿氣體的圓底燒瓶，翻轉(zhuǎn)燒瓶使活性炭滑入燒瓶中，振蕩使氣體充分被吸附后，把導(dǎo)管下面的橡皮塞插人溶液中，打開止水夾。
 2．5、擠壓法。
 如圖6所示。采用擠壓塑料瓶的辦法,使少量氣體溶于水,放開后,由于P外界大氣壓>P瓶內(nèi)氣壓,導(dǎo)管中的溶液壓入燒瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。
 2．6、化學反應(yīng)法。（雙噴泉實驗）
 如圖7所示。一個燒瓶內(nèi)充滿氨氣，另一個燒瓶內(nèi)充滿氯化氫，兩氣體均易溶于水。先打開止水夾a，讓兩氣體充分反應(yīng)，再打開止水夾b、c。不久便在兩燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。（說明：兩氣體常溫下反應(yīng),產(chǎn)物是固體或液體,總體積減小,氣壓降低,適應(yīng)此裝置。）
二、“壓出式噴泉”
 裝置下方容器密閉，上方是開放的。是通過迅速增大下方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產(chǎn)生噴泉。
 給下方密閉容器加壓的方式有兩種。一種是直接加壓，另一種是迅速反應(yīng)產(chǎn)生氣體或液體易揮發(fā)產(chǎn)生氣體。
用物理方法形成壓強差。
1．1、加熱液體揮發(fā)法。
 如圖8所示。在錐形瓶中加人易揮發(fā)產(chǎn)生氣體的液體，并使錐形瓶受熱。例如：向錐形瓶中加人乙醇或苯或汽油等，向水槽的水中加人濃H2S04；或直接熱水浴。
1．2、氣體擴散法。
 如圖9所示。A為能容許氣體通過的特制的素燒瓷筒(也可用內(nèi)刺多個小孔、外包光滑玻璃紙的塑料瓶代替)。實驗時,向燒杯中持續(xù)通入氫氣,因氣體的擴散速率與相對分子質(zhì)量有關(guān)：υ1/υ2=（M2/M1）1/2,H2進入A的擴散速率比空氣從A逸出的速率大,導(dǎo)致A內(nèi)壓強增大,從而在B處產(chǎn)生噴泉。
2、用化學方法形成壓強差。
 如圖10所示。向錐形瓶中放人能迅速反應(yīng)產(chǎn)生氣體的物質(zhì)，然后迅速密封.如加人碳酸氫按固體與鹽酸、過氧化鈉粉末與水等。
 例如：利用鈉跟水的反應(yīng)做噴泉實驗
 ①如圖11連接好裝置,廣口瓶中加水至與橡皮塞接觸處,滴入幾滴酚酞試液,橡皮塞上固定一根拉直的回形針,針上扎入比黃豆粒略大的金屬鈉。
 ②迅速塞上橡皮塞,可看到鈉跟水劇烈反應(yīng),熔化成光亮的小球,在水面四處游動,可樂瓶中形成紅色噴泉。發(fā)生反應(yīng):2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,酚酞遇NaOH溶液變紅。
 ③拔出導(dǎo)管b,可樂瓶中水面回落,廣口瓶中水面上升。打開止水夾a,立即在導(dǎo)管口處點燃,可看到淡藍色火焰。證明生成氣體是H2。
 說明：此實驗既能觀察到鈉與水反應(yīng)的現(xiàn)象及美麗的噴泉,又能證明生成的產(chǎn)物是NaOH和H2。
三、特殊的噴泉——“噴煙”實驗
 上面敘述噴泉實驗都是液體噴涌現(xiàn)象，是真的噴泉。據(jù)此，我們還可以知識遷移到煙的涌動，現(xiàn)象和原理與噴泉很相象。
 例如：如圖12所示。氯化氫氣體與氨氣反應(yīng)可形成“白煙”,這是演示氣體擴散的典型實驗.“白煙”是氯化銨固體.由于固體的體積遠小于氣體的體積,所以氯化氫氣體與氨氣反應(yīng)形成“白煙”后,氣體體積顯著減少.可以想象,在氨和水的“噴泉”實驗中,如果我們用氯化氫氣體代替水進行實驗,同樣可形成“噴泉”,只是這種“噴泉”噴出的不是水,而是“白煙”(氯化銨固體)而已。
 當我們進行這種“白煙噴泉”實驗時,發(fā)現(xiàn)一個奇特的實驗現(xiàn)象,“白煙噴泉”是一種“間歇性噴泉”,與火山口的噴發(fā)類似,只是時間間隔非常短。
 為什么氯化氫氣體和氨氣不形成連續(xù)噴泉而形成間歇性噴泉呢?其主要原因是(1)反應(yīng)放熱量較大;(2)燒瓶中氣體及生成物的熱容量較小。當少量氯化氫氣體進入燒瓶時,與氨發(fā)生反應(yīng):NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s),由于反應(yīng)后生成固體產(chǎn)物,燒瓶中的氣體量減小,導(dǎo)致壓力降低。同時,進入燒瓶中的氯化氫與氨發(fā)生反應(yīng)放熱使燒瓶內(nèi)氨氣溫度升高導(dǎo)致壓強增大。這是矛盾的兩個方面。反應(yīng)放熱量較大,氨氣吸熱溫度升高,導(dǎo)致燒瓶內(nèi)壓強增大。當燒瓶內(nèi)的壓強大于大氣壓時,氯化氫氣體不能進入燒瓶,噴泉停止。由于燒瓶向環(huán)境散熱,燒瓶內(nèi)的溫度和壓強隨著熱量的散失而降低。當燒瓶內(nèi)的壓強小于大氣壓時,氯化氫氣體重新進入燒瓶,形成再一次噴發(fā)。這樣不斷循環(huán)就形成了間歇性噴泉。
 氯化氫氣體與氨氣反應(yīng)形成的“白煙噴泉”，除此之外H2S氣體和SO2氣體反應(yīng)也可以形成“噴煙”實驗。
參考文獻：
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