噴泉實驗是一個富有探索意義的實驗,在高中化學教學中具有重要的地位。實驗的基本原理是使燒瓶內外在短時間內產生較大的壓強差,利用大氣壓將燒瓶下面燒杯中的液體壓入燒瓶內,在尖嘴導管口形成噴泉(如圖1)。
這類實驗的要求是:①裝置氣密性良好;②所用氣體能大量溶于所用液體或氣體與液體快速反應。能進行噴泉實驗的物質通常有以下幾組:
噴泉實驗能形象地說明某些氣體極易溶于水(或特定溶液)。根據其原理進行拓展還可以探討噴泉實驗的多種應用。
一、根據實驗裝置和條件拓展
例如,2002年全國理綜試題第29題給出如圖2所示的裝置,要求說明引發噴泉的方法。
通過分析產生噴泉現象的原理,不難發現。只要打開止水夾,用手(或熱毛巾等)將燒瓶捂熱,氨氣受熱膨脹,趕出玻璃管內的空氣,氨氣與水接觸后迅速溶解,使燒瓶內壓強減小。就能發生噴泉。
二、根據實驗中出現的問題拓展
例如,某同學用HCl氣體做噴泉實驗時,噴入燒瓶內的水不足燒瓶容積的1/3,其原因不可能是( )。
(A)燒瓶潮濕
(B)裝置氣密性不好
(C)水里沒有加石蕊試液
(D)燒瓶內未集滿HCl
噴泉實驗失敗的原因很多,要弄清本質進行大膽假設。很明顯(A)(B)(D)都能使噴入燒瓶內的水不足燒瓶容積的1/3,所以答案為(C)。
三、根據實驗中發生的現象拓展
如圖3所示,甲學生在燒瓶中充滿O2,并在反匙燃燒匙中加入一種白色固體物質,欲做O2的噴泉實驗。實驗開始,用凸透鏡將日光聚焦于反匙燃燒匙中的固體,燃燒匙內出現一陣火光和白煙。等一會兒,打開橡皮管上的止水夾。看到有美麗的噴泉發生。請問他在反匙燃燒匙中加入了什么物質?
綜合分析上述實驗中產生的現象,結合噴泉實驗的原理,我們會很容易想到反匙燃燒匙中加入的物質是白磷。白磷與燒瓶內的O2反應生成P2O5固體,使燒瓶內壓強減小。打開止水夾后燒杯中的水被壓入燒瓶內形成噴泉。
四、根據實驗中的生成物拓展
噴泉實驗是不是只能噴液體,能不能噴出別的什么物質呢?
如圖4裝置,實驗前A、B、C活塞均關閉。若要在該裝置中產生噴煙現象,該怎樣操作?若想在該裝置中產生雙噴泉現象,該怎樣操作?
分析:擠壓膠頭滴管,滴管中的水溶解右瓶中的部分NH3使瓶內壓強減小。打開活塞A、B,左瓶中的HCl進入右瓶生成NH4Cl固體而產生噴煙現象。若此時打開活塞C,則燒杯內的水會壓向左右兩個燒瓶,在左瓶中產生紅色噴泉,在右瓶中產生藍色噴泉。
五、根據實驗中的反應物拓展
是不是只有無機物氣體才能產生噴泉現象呢?
把充滿乙烯的圓底燒瓶用帶有尖嘴導管的橡皮塞塞緊,按圖5安裝好儀器。
松開彈簧夾A,通過導管C向盛溴水的錐形瓶中鼓入空氣,使約10 mL 溴水壓入燒瓶,再把彈簧夾a夾緊。振蕩燒瓶,溴水很快褪色,有油狀物生成,燒瓶內形成負壓。松開彈簧夾A,溴水自動噴入。噴入約10 mL 溴水后,再把彈簧夾a夾緊,振蕩燒瓶,溴水又很快褪色。如此重復操作幾次。當噴入的溴水顏色不能完全褪盡時,說明燒瓶中的氣體已經完全反應。松開彈簧夾B,讓蒸餾水噴入燒瓶也可形成噴泉。只要反應完全,液體幾乎可充滿整個燒瓶。
六、關于生成物濃度的計算拓展
例如,同溫同壓下兩個等體積的干燥燒瓶中分別 充滿①NH3 ②NO2,進行噴泉實驗,經充分反應后燒瓶內溶液的物質的量濃度為 ( )
(A)①<② (B)①>②
(C)①=② (D)無法確定
分析:①設燒瓶的體積為V L,則充滿NH3后氣體的物質的量為mol。發生噴泉現象后,燒瓶將充滿溶有NH3的溶液,即溶液的體積為V L,所以燒瓶內溶液的物質的量濃度為mol/L。
②設燒瓶的體積為V L,則充滿NO2后氣體的物質的量為 mol。發生如下反應:3NO2+2H2O=2HNO3+NO,反應后生成HNO3的物質的量為 mol。由于剩余L氣體,所以燒瓶中溶液的體積為L,因此燒瓶內溶液的物質的量濃度也為mol/L。所以答案選(C)。
七、根據實驗原理反向思維拓展
通常的噴泉實驗是設法減小燒瓶內壓強形成負壓,使液體噴入燒瓶。能不能增大外面的壓強將液體壓入燒瓶呢?請看以下兩個例子。
①如圖6裝置,在錐形瓶中加入足量的下列物質,能產生噴泉現象的是( )
(A)碳酸鈉和稀鹽酸 (B)氫氧化鈉和稀鹽酸
(C)銅和稀硫酸 (D)硫酸銅和氫氧化鈉溶液
分析:碳酸鈉和鹽酸反應能產生大量的CO2氣體使錐形瓶內的壓強增大,從而將反應混合物壓入燒瓶。也能形成噴泉。所以答案選(A)。
②如圖7裝置,在錐形瓶外放一個水槽,瓶中加入酒精,水槽中加入冰水后,再加入足量的下列物質,產生了噴泉,問水槽中加入的物質可以是( )
(A)濃硫酸 (B)食鹽 (C)硝酸鉀 (D)硫酸銅
分析:濃硫酸溶于水放熱,可使錐形瓶內的酒精部分氣化而使錐形瓶內壓強增大,將酒精壓入燒瓶形成噴泉。答案為(A)。
因此,通過化學反應或某些物理方法使燒瓶外面的壓強大于燒瓶里面的壓強也能形成噴泉。
以上兩例的原理實際上就是人造噴泉和火山爆發的原理。
八、噴泉原理的遷移拓展
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