噴泉實驗是中學化學教學中的一個演示實驗,高中化學教材在講到氨的性質(zhì)時,安排了噴泉實驗。由于噴泉實驗的趣味性強,直觀效果好,可以演變成一系列的噴泉實驗。
一、現(xiàn)象描述
氣體在液體中溶解度很大,在短時間內(nèi)產(chǎn)生足夠的壓強差(負壓),打開活塞后,大氣壓將燒杯內(nèi)的液體壓入燒瓶中,在尖嘴導(dǎo)管口形成噴泉。
二、產(chǎn)生機理
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:PV=nRT,推出P=(nRT)/V(R為常數(shù))。
要使P變小,可改變n、T、V中的一個變量。
所以減小氣壓的方法有三種:
⒈ 減少氣體的物質(zhì)的量(n)。減少氣體的物質(zhì)的量有物理方法與化學方法兩種方法:
物理方法可把氣體抽走或物理溶解,化學方法可通過化學反應(yīng)或化學溶解。
⒉ 降低氣體的溫度(T)?？梢圆捎美渌疂沧⒒蛴脻衩矸庞谄康?也可以把裝置轉(zhuǎn)移入較低溫的環(huán)境。
⒊ 增大氣體的體積(V)?？梢圆扇?升高溫度(如:用熱水澆注或熱毛巾放于瓶底)或改變?nèi)萜鞯捏w積的方法。
三、影響因素
對于用化學方法來減少氣體的物質(zhì)的量的方法又和氣體的溶解度、吸收液的種類有關(guān)。
⒈ 氣體溶解性大小會對噴泉的形成產(chǎn)生影響。如,易溶于水的氣體、在水中溶解度不大的氣體、難溶于水的氣體;由于它們在水中的溶解度不一樣,從而就使得壓強的減少不一樣,是噴泉能否產(chǎn)生以及噴泉大小的關(guān)鍵。
⒉ 吸收液的種類也會對噴泉的形成產(chǎn)生影響,不同的吸收液,與氣體之間能否反應(yīng)、氣體在其中溶解度的大小,都決定了噴泉實驗的成功與失敗。
四、實驗關(guān)鍵
通過分析噴泉實驗的原理和條件,我們總結(jié)出了噴泉實驗成功的關(guān)鍵是:
⒈ 盛氣體的燒瓶必須干燥,否則甁中有液體,會溶解部分氣體,影響負壓的大小,使形成的噴泉壓力不大(噴泉“無力”);
⒉ 氣體要充滿燒瓶;
⒊ 燒瓶不能漏氣(實驗前應(yīng)先檢查裝置的氣密性);
⒋ 所用氣體能大量溶于所用液體或氣體與液體快速反應(yīng)。
五、發(fā)生實例
極易溶于水的氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)氣體均極易溶于水。1體積的水常溫下大約分別能溶解700體積的氨氣和500體積的氯化氫氣體。因此,氨氣和氯化氫氣體溶于水的實驗可設(shè)計成噴泉實驗。
六、可設(shè)計成噴泉實驗的實驗
⒈ 氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)生成固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)可設(shè)計成噴泉實驗
⑴ 氯氣跟氫氧化鈣的反應(yīng)
在500ml圓底燒瓶里收集滿氯氣(Cl2),加入約10g氫氧化鈣(Ca(OH)2),塞緊帶尖嘴的玻璃管的膠塞。小心搖動燒瓶,使氯氣跟氫氧化鈣充分反應(yīng)后,將玻璃管插入盛有紅顏色水的燒杯中,打開玻璃管上的止水夾,燒瓶內(nèi)即出現(xiàn)美麗的噴泉。
反應(yīng)方程式:
2Cl2+2Ca(OH)2=Ca(ClO)2+CaCl2+2H2O
⑵ 二氧化氮跟水反應(yīng)
在500ml燒瓶內(nèi)加入10ml濃硝酸(HNO3),再放入一小塊銅片。待反應(yīng)產(chǎn)生的紅棕色二氧化氮(NO2)氣體趕盡空氣充滿整個燒瓶時,立即用尖嘴下綁有一團浸濕水的棉團的玻璃管的膠塞塞緊燒瓶瓶口,并將燒瓶固定在鐵架臺上,將玻璃管插入盛有紫色石蕊試液的燒杯中(裝置如圖1)。打開玻璃管上的止水夾,輕輕搖動燒瓶,即可產(chǎn)生美麗的紅色噴泉。反應(yīng)方程式:
Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3NO2+H2O=2HNO3+NO
圖1
⑶ 二氧化碳跟氫氧化鈉反應(yīng)
在500ml燒瓶中收集滿二氧化碳(CO2)氣體,小心地加入10ml40%的氫氧化鈉(NaOH)溶液,立即用帶玻璃尖嘴管的膠塞塞緊(或不加氫氧化鈉溶液而直接在尖嘴玻璃管上綁浸有氫氧化鈉溶液的棉團)。輕輕搖動燒瓶,待充分反應(yīng)后,打開插入盛有紅色水溶液燒杯中玻璃管上的止水夾,即可形成噴泉。反應(yīng)方程式:
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
⑷ 氯氣跟甲烷的取代反應(yīng)
向500ml的燒瓶中先通入氯氣(Cl2),再通入甲烷(CH4),塞緊帶尖嘴玻璃管的膠塞,將玻璃管插入盛有水的燒杯中。用200W電燈泡在反光鏡配合下照射燒瓶2-3分鐘,打開玻璃管上的止水夾,即可形成噴泉。實驗完畢后,在燒瓶內(nèi)液面上出現(xiàn)油層。反應(yīng)方程式:
CH4+Cl2=CH3Cl+HCl
CH3Cl+Cl2=CH2Cl2+HCl
⑸ 紅磷在氧氣中燃燒的反應(yīng)
用500ml圓底燒瓶排水法收集滿氧氣(O2)。在帶玻璃尖嘴管的膠塞上插入燃燒匙,燃燒匙內(nèi)放少量紅磷(P)。將燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱,待紅磷燃燒后,迅速將燃燒匙伸入圓底燒瓶內(nèi),并將燒瓶口用膠塞塞緊(裝置如圖2)。等反應(yīng)完成,燒瓶逐漸冷卻后,將燒瓶倒置固定在鐵架臺上,玻璃管伸入盛有紫色石蕊試液的燒杯中。打開玻璃管上的止水夾,即可形成美麗的紅色噴泉。反應(yīng)方程式:
4P+5O2=(點燃)=2P2O5
圖2
⑹ 氯化氫與氨氣的反應(yīng)
用500ml干燥的圓底燒瓶收集滿氨氣(NH3),瓶口用帶玻璃尖嘴管的膠塞塞緊,玻璃管的另一端通過單孔膠塞插入盛有濃鹽酸(HCl)的塑料瓶中(裝置如圖3)。打開玻璃管上的止水夾,用手擠控塑料瓶,使塑料瓶中的氯化氫氣體通過玻璃尖嘴進入圓底燒瓶內(nèi)與氨氣接觸,即可形成白色的噴煙。反應(yīng)方程式:
NH3+HCl= NH4Cl
圖3
⒉ 液態(tài)物質(zhì)與固態(tài)物質(zhì)反應(yīng)生成氣態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)可設(shè)計成噴泉實驗
⑴ 二氧化錳催化分解過氧化氫放出氧氣的反應(yīng)
圖4
取兩支具支試管,用乳膠管將兩支管連接起來。在一支試管內(nèi)放入少量的二氧化錳(MnO2),管口用帶分液漏斗的膠塞塞緊,分液漏斗中裝10%的過氧化氫(H2O2)溶液。另一支試管內(nèi)裝約2/3體積的紅色溶液,管口用帶玻璃尖嘴的膠塞塞緊,玻璃管的另一端插入試管內(nèi)溶液的底部(裝置如圖5)。打開分液漏斗的旋塞,一次性放入一定量的過氧化氫溶液,然后關(guān)閉分液漏斗。過氧化氫分解放出的氧氣進入另一試管,將試管內(nèi)紅色溶液壓出形成紅色噴泉。反應(yīng)方程式:
2H2O2=(MnO2)=2H2O+O2↑
⑵ 金屬鈉跟水的反應(yīng)
圖5
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