■金志華

壓強(qiáng)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

■金志華

10.3969/j.issn.1671-489X.2012.32.104

結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)歷，就壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性檢查、壓強(qiáng)與氣體體積的測(cè)定、壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)的安全性及合理性等方面，談?wù)剬?duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總結(jié)、應(yīng)用和創(chuàng)新。

實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的基礎(chǔ)，更是初中化學(xué)的生命和靈魂。新課標(biāo)要求學(xué)生初步形成基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，能設(shè)計(jì)和完成一些簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，初步學(xué)會(huì)運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)等方法獲取信息。實(shí)驗(yàn)較好地體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合能力和創(chuàng)新能力。在新課改的教學(xué)實(shí)踐中，筆者越來越體會(huì)到實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)和化學(xué)中考中的地位與日俱增，而壓強(qiáng)在許多實(shí)驗(yàn)的操作、設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。

1 壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性檢查

對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置氣密性的檢查方法，學(xué)生如果死記硬背，很容易將不同情況下的檢查方法相互混淆、張冠李戴，但如弄清其壓強(qiáng)變化的原理后，就能輕松應(yīng)對(duì)了。

初中化學(xué)中典型氣體發(fā)生裝置有三種。

1）高錳酸鉀制氧氣裝置，即固體加熱制氣體的裝置。這套裝置氣密性檢查的方法：先將導(dǎo)管浸入水中，再用手緊捂試管外壁，導(dǎo)管口有氣泡產(chǎn)生，松開手后，導(dǎo)管內(nèi)形成一段穩(wěn)定的水柱，則氣密性良好。原理：如裝置和氣密性良好，則升溫后裝置內(nèi)壓強(qiáng)增大，大于外界大氣壓，氣體逸出，再冷卻至室溫，此時(shí)壓強(qiáng)小于外界大氣壓，所以水倒吸形成一段穩(wěn)定的水柱；如有少許漏氣，則裝置內(nèi)外壓強(qiáng)會(huì)逐漸趨于相同，形成的水柱會(huì)逐漸回落。

2）雙氧水和二氧化錳混合制氧氣裝置，即帶有分液漏斗和導(dǎo)氣管的雙孔橡皮塞與錐形瓶連接成的裝置。這套裝置氣密性檢查的簡(jiǎn)單方法：先用止水夾夾緊導(dǎo)氣管，再關(guān)閉漏斗活塞并向漏斗內(nèi)加水，然后打開活塞，如水下滴一會(huì)兒后不再下滴，則氣密性良好。原理：將水注入錐形瓶時(shí)，如不漏氣，則瓶?jī)?nèi)氣壓會(huì)逐漸增大，進(jìn)而阻止水繼續(xù)下滴；如漏氣，則裝置內(nèi)外壓強(qiáng)始終相等，水就會(huì)一直往下流，直到流完為止。另外用這套裝置制備氣體的過程中，如漏斗上口的塞子始終塞緊，則隨著液體不斷下滴，漏斗內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)不斷減小，錐形瓶?jī)?nèi)不斷產(chǎn)生氣體，壓強(qiáng)較大，所以一段時(shí)間后，液體也將難以流下。解決方法是打開瓶塞，使壓強(qiáng)增大后重新塞上。

3）石灰石和稀鹽酸制二氧化碳或鋅粒和稀硫酸制氫氣裝置，即將上述第二套裝置中的分液漏斗換成長(zhǎng)頸漏斗就可以了。該套裝置的氣密性檢查方法很多，如向長(zhǎng)頸漏斗中加水形成液封后夾緊導(dǎo)氣管，繼續(xù)加少量水，漏斗內(nèi)液面高于錐形瓶?jī)?nèi)液面，且液面高度差保持不變，則裝置氣密性良好。原理：形成液封后，如氣密性好，再向漏斗內(nèi)加水，錐形瓶?jī)?nèi)氣體無法外逸導(dǎo)致壓強(qiáng)增大，漏斗內(nèi)液面就無法下降；如氣密性不好，最終錐形瓶?jī)?nèi)外壓強(qiáng)相等，漏斗內(nèi)液面與錐形瓶?jī)?nèi)液面就會(huì)相平。再如，先使漏斗下端形成液封，再在導(dǎo)管處連接一針筒，向外緩緩拉動(dòng)活塞，漏斗末端有氣泡產(chǎn)生；或緩緩向內(nèi)推動(dòng)活塞，漏斗內(nèi)形成一段穩(wěn)定的水柱，則氣密性良好。原理：不漏氣時(shí)，向外拉活塞，使裝置內(nèi)氣體體積增大，壓強(qiáng)減小，外面氣體就被抽進(jìn)來了；向內(nèi)推活塞，則裝置內(nèi)氣體體積減小，壓強(qiáng)增大，水被壓出形成水柱；如漏氣，則裝置內(nèi)外壓強(qiáng)一直相等，無上述現(xiàn)象發(fā)生。

氣體發(fā)生裝置還有很多，氣密性檢查的方法也多種多樣，但本質(zhì)都是利用壓強(qiáng)的變化來實(shí)現(xiàn)的。另外，氣密性檢查一般都離不開水，其原因主要是兩點(diǎn)，一是利用水使裝置內(nèi)氣體處于密閉狀態(tài)，二是有了水壓強(qiáng)是否變化就能明顯地表現(xiàn)出來，讓人能方便地直觀地感知到。學(xué)生了解了這些原理后，解決這類問題時(shí)就有了靈感和創(chuàng)造性，顯得游刃有余。比如，筆者問：“現(xiàn)有一只燒杯、一只集氣瓶、一支底部有小洞的試管和一只帶導(dǎo)管的單孔橡皮塞，能用來制得一瓶二氧化碳?xì)怏w嗎？”學(xué)生都說能，并討論出具體方案。筆者接著問：“那么，試管與橡皮塞連接處是否漏氣如何檢驗(yàn)?zāi)?？”學(xué)生短暫討論后就有了結(jié)果：先將導(dǎo)氣管用止水夾夾緊，然后用力將試管浸入盛水的燒杯中，水不能進(jìn)入試管，則不漏氣。

2 壓強(qiáng)與氣體體積的測(cè)定

氣體體積的測(cè)定也是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的考查內(nèi)容之一，最直接的方法一般是排水法（氣體能溶于水時(shí)，可用油等氣體難溶于其中的液體試劑來替代水）。如要測(cè)產(chǎn)生的少量氫氣的體積，運(yùn)用排水法的第一種方案：將產(chǎn)生的氫氣由短導(dǎo)管通入盛滿水的洗氣瓶，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)大于外面大氣壓，就會(huì)將瓶?jī)?nèi)的水通過接近瓶底的長(zhǎng)導(dǎo)管壓出瓶外，用量筒收集壓出的水，此時(shí)量筒內(nèi)水的體積即近似為通常狀況下產(chǎn)生氫氣的體積。第二種方案：將量筒充滿水倒置在水槽中，氫氣直接通入量筒，利用自身壓力將水壓出，但結(jié)束時(shí)量筒內(nèi)氣體體積不能看作氫氣在常壓下的體積，必須上下移動(dòng)量筒使量筒與水槽內(nèi)液面相平，即量筒內(nèi)外壓強(qiáng)相同，這時(shí)量筒內(nèi)氣體體積才是所測(cè)氫氣在常壓下的體積。第三種方案：用量氣管來測(cè)氫氣體積，同樣要注意調(diào)節(jié)量氣管高度，使反應(yīng)前、后兩邊液面相平，這樣才能使反應(yīng)前后氣體壓強(qiáng)相同，才是測(cè)出生成氫氣的真正體積。

另外，新教材中有關(guān)空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，就是利用了紅磷燃燒耗盡氧氣，使集氣瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，小于外面大氣壓，引起水倒吸，倒吸入集氣瓶?jī)?nèi)水的體積即為瓶?jī)?nèi)氧氣體積來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡?。值得注意的是，要使裝置內(nèi)氣體冷卻到室溫才能打開止水夾，否則，雖然看上去反應(yīng)前后壓強(qiáng)相等，卻是不同溫度下的壓強(qiáng)。只有恢復(fù)到常溫，倒吸入瓶?jī)?nèi)的水的體積才是常溫常壓下原有集氣瓶?jī)?nèi)氧氣的體積，用此時(shí)的氧氣體積除以反應(yīng)前常溫常壓下瓶?jī)?nèi)空氣總體積，就得到氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)。

3 壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，是初中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其實(shí)在許多情況下，學(xué)生常常感到不得要領(lǐng)、難以下手，很茫然，但如果能有意識(shí)地利用壓強(qiáng)變化來顯現(xiàn)化學(xué)知識(shí)，往往會(huì)達(dá)到化難為易、化繁為簡(jiǎn)的效果。比如：請(qǐng)通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)證明二氧化碳能溶于水。這時(shí)就可以用試管收集滿氣體后倒插入水中，看試管內(nèi)液面上升情況：氣體在水中溶解得越多，試管內(nèi)壓強(qiáng)越小，水面就上升得越高?；蛟谲浰芰掀?jī)?nèi)充滿二氧化碳，再注入少量水，振蕩，氣體溶于水后，瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，瓶就會(huì)癟掉。還可以用集氣瓶來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，先在瓶?jī)?nèi)充滿二氧化碳，再注入少量水，蓋上毛玻片，充分振蕩，然后懸空倒置，如玻璃片不掉下，說明瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，則該氣體能溶或易溶于水。

再如：請(qǐng)利用石灰石和鹽酸等試劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究反應(yīng)速率與反應(yīng)物接觸面積之間的關(guān)系。很顯然，要求設(shè)計(jì)的是一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，唯一的變量是反應(yīng)物的接觸面積，要實(shí)現(xiàn)這一變量，只要在兩支大小相同的試管中分別加入等質(zhì)量的塊狀和粉末狀石灰石就可以了，再分別同時(shí)向試管中加入等體積、同濃度的稀鹽酸，反應(yīng)就同時(shí)開始了。而誰快誰慢僅靠目測(cè)是難以令人信服的，能不能利用壓強(qiáng)的變化使速率大小很直觀地表現(xiàn)出來呢？學(xué)生討論后一致認(rèn)為能，想出好多方法，如分別同時(shí)塞上帶氣球的單孔橡皮塞，看氣球膨脹的快慢；或分別同時(shí)塞上帶長(zhǎng)導(dǎo)管的單孔橡皮塞（導(dǎo)管足夠長(zhǎng)且均插到試管底部），看反應(yīng)開始后導(dǎo)管內(nèi)液面上升的快慢等（最終液面相平）。

另外，還有探究二氧化碳是否會(huì)引起溫室效應(yīng)，探究氧化鈣與水反應(yīng)時(shí)的能量變化，探究鐵生銹的條件，等等這些實(shí)驗(yàn)均可利用壓強(qiáng)變化的思想來指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)的安全性、合理性

需要加熱的氣體發(fā)生裝置，一定不能密閉，這是所有化學(xué)研究者必須牢記的，因?yàn)槊荛]裝置中高溫氣體不斷產(chǎn)生，會(huì)使壓力越來越大，最終引起爆炸。有時(shí)裝置即使沒有密封，但反應(yīng)產(chǎn)生氣體速率太快，反應(yīng)放熱又較多，致使氣壓增大太快，也易引起爆炸。實(shí)驗(yàn)室不用啟普發(fā)生器制備乙炔氣體就是因?yàn)檫@個(gè)原因。還有一種常見實(shí)驗(yàn)是藥品需要加熱產(chǎn)生氣體，并將產(chǎn)生的氣體通入低溫液體中，比如高錳酸鉀加熱制氧氣并用排水法收集、銅綠受熱分解并將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水等。這類實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)必須先將導(dǎo)管移出水面，再停止加熱，否則裝置內(nèi)壓強(qiáng)突然減小，極易引起倒吸使熱的試管炸裂。

有時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中氣流不夠連續(xù)時(shí)，氣壓忽大忽小，也易引起倒吸，這時(shí)需在溫差較大的兩裝置間連接一安全瓶。實(shí)驗(yàn)室用長(zhǎng)頸漏斗和錐形瓶制氫氣時(shí)，如反應(yīng)速率太快，雖然漏斗下端形成液封，氣體因壓力過大也會(huì)有部分從漏斗中逸出。此時(shí)可在漏斗末端套一小試管，就能避免上述情況發(fā)生，并且更節(jié)約藥品。

還有課本在探究質(zhì)量守恒定律時(shí)安排了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在密閉裝置中讓石灰石和稀鹽酸反應(yīng)，并稱量反應(yīng)前后裝置的總質(zhì)量。這樣應(yīng)該可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧?，但學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)課本實(shí)驗(yàn)中錐形瓶?jī)?nèi)還加了澄清石灰水，其用意何在呢？是用來檢驗(yàn)二氧化碳的嗎？顯然不是，它的作用是吸收生成的二氧化碳?xì)怏w，防止錐形瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)過大而使橡皮塞沖出或松動(dòng)而漏氣。正是考慮到壓強(qiáng)的影響才使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更合理、科學(xué)，實(shí)驗(yàn)操作更安全、可靠。

當(dāng)然，與壓強(qiáng)密切相關(guān)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)還有很多，如加壓使氣體溶解度增大、減壓使液體沸點(diǎn)降低等，壓強(qiáng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著重要作用，教師應(yīng)該在教學(xué)過程中不斷總結(jié)、應(yīng)用和創(chuàng)新，以提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

江蘇省蘇州市草橋中學(xué)校）