[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。是體現衆多知識和能力的交匯點，也是高考的熱點之一。研究噴泉實驗能夠很好地培養學生觀察、記憶、分析、創新能力。本文旨在透過對“噴泉”實驗的多方位、多層次的剖析，達到強化基礎，寓教於樂,激發學生學習興趣、培養學生創新精神。
關鍵詞：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象,形成噴泉的關鍵是形成內外壓強差。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。是透過迅速減小上方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產生噴泉。
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長玻璃直角導管一根。實驗時,將玻璃直角導管較長一端浸入水中,用洗耳球吸去導管中空氣使導管充滿水,馬上用手搓動直導管部分,使它做圓周運動,由於離心作用,水被甩出,玻璃導管的c段呈真空,水不斷得到補充,從導管口可以看到源源不斷的水噴灑出來形成環狀噴泉。
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,使管外大氣壓強大於管中空氣的壓強,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:設空氣壓強爲p0,玻璃噴管中的空氣壓強爲p,接水槽到儲水槽的高度差爲H,儲水槽液麪到玻璃管中液麪的高度差爲s,噴射水柱高度爲h.則儲水槽液麪的壓強應滿足
 p0=ρgs+ρgh+p,
 接水槽液麪的壓強也應滿足
 p0=ρgH+ρgs+p。
 由以上兩式可得H=h,即水柱高度等於出水口到進水口的高度差,由於水與管之間有阻力,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。這裏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極易溶於下方溶液或發生化學反應而被下方溶液吸收。①如果氣體易溶水，如:HCI、HBr、NH3、體積比爲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乾燥。②如果氣體不易溶於水，但易溶於有機溶劑，可用有機溶劑來代替水，如：Cl2易溶於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其它兩兩反應的，如乙烯與溴水也可形成噴泉。
 引發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，燒瓶中氣體極易溶於液體或發生化學反應被吸收。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,由於熱脹冷縮, 一部分氣體膨脹溶於下面液體,移開熱毛巾冷卻,由於P外界大氣壓>P瓶內氣壓,便在燒瓶中看到噴泉現象。
 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,由於熱脹冷縮,P外界大氣壓>P瓶內氣壓,導管中的液體壓入瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現象。（注：熱捂與冷敷最好根據氣溫而定,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。
 由於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，翻轉燒瓶使活性炭滑入燒瓶中，振盪使氣體充分被吸附後，把導管下面的橡皮塞插人溶液中，開啟止水夾。
 2．5、擠壓法。
 如圖6所示。採用擠壓塑料瓶的辦法,使少量氣體溶於水,放開後,由於P外界大氣壓>P瓶內氣壓,導管中的溶液壓入燒瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現象。
 2．6、化學反應法。（雙噴泉實驗）
 如圖7所示。一個燒瓶內充滿氨氣，另一個燒瓶內充滿氯化氫，兩氣體均易溶於水。先開啟止水夾a，讓兩氣體充分反應，再開啟止水夾b、c。不久便在兩燒瓶中看到噴泉現象。（說明：兩氣體常溫下反應,產物是固體或液體,總體積減小,氣壓降低,適應此裝置。）
二、“壓出式噴泉”
 裝置下方容器密閉，上方是開放的。是透過迅速增大下方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產生噴泉。
 給下方密閉容器加壓的方式有兩種。一種是直接加壓，另一種是迅速反應產生氣體或液體易揮發產生氣體。
用物理方法形成壓強差。
1．1、加熱液體揮發法。
 如圖8所示。在錐形瓶中加人易揮發產生氣體的液體，並使錐形瓶受熱。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爲能容許氣體透過的特製的素燒瓷筒(也可用內刺多個小孔、外包光滑玻璃紙的塑料瓶代替)。實驗時,向燒杯中持續通入氫氣,因氣體的擴散速率與相對分子質量有關：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,導致A內壓強增大,從而在B處產生噴泉。
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產生氣體的物質，然後迅速密封.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,熔化成光亮的小球,在水面四處遊動,可樂瓶中形成紅色噴泉。發生反應:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,酚酞遇NaOH溶液變紅。
 ③拔出導管b,可樂瓶中水面回落,廣口瓶中水面上升。開啟止水夾a,立即在導管口處點燃,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的現象及美麗的噴泉,又能證明生成的產物是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象，是真的噴泉。據此，我們還可以知識遷移到煙的涌動，現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.由於固體的體積遠小於氣體的體積,所以氯化氫氣體與氨氣反應形成“白煙”後,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,發現一個奇特的實驗現象,“白煙噴泉”是一種“間歇性噴泉”,與火山口的噴發類似,只是時間間隔非常短。
 爲什麼氯化氫氣體和氨氣不形成連續噴泉而形成間歇性噴泉呢?其主要原因是(1)反應放熱量較大;(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,與氨發生反應:NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s),由於反應後生成固體產物,燒瓶中的氣體量減小,導致壓力降低。同時,進入燒瓶中的氯化氫與氨發生反應放熱使燒瓶內氨氣溫度升高導致壓強增大。這是矛盾的兩個方面。反應放熱量較大,氨氣吸熱溫度升高,導致燒瓶內壓強增大。當燒瓶內的壓強大於大氣壓時,氯化氫氣體不能進入燒瓶,噴泉停止。由於燒瓶向環境散熱,燒瓶內的溫度和壓強隨着熱量的散失而降低。當燒瓶內的壓強小於大氣壓時,氯化氫氣體重新進入燒瓶,形成再一次噴發。這樣不斷循環就形成了間歇性噴泉。
 氯化氫氣體與氨氣反應形成的“白煙噴泉”，除此之外H2S氣體和SO2氣體反應也可以形成“噴煙”實驗。
參考文獻：
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