二氧化硫的噴泉實驗

文章編號：1005－6629(2007)07－0080－02 中圖分類號：G632.479 文獻標識碼：B

[問題的由來]

2003年，我校青年化學教師李金花在宜昌市高中化學優質課競賽的課堂上，演示了用SO2氣體與水反應的噴泉實驗。當時，有很多聽課的專家感到疑惑，在課后親自操作進行了驗證。其實，這一成果是沿用了學生所做的一道綜合試題，并由學生試驗成功的。其研究的經過發表于《化學教育》2006年第2期題為“有意的研究、無意有發現”一文。

[問題]

某化學興趣小組的組員通過計算得出，選擇一定容積V的燒瓶與一定長度L的直玻管，用SO₂氣體與水可以發生噴泉現象，并導出了燒瓶的體積與直玻管長度的關系為(假定擠出的水為1mL)：

[注：燒瓶體積(mL)；△L——導管有效長度——未浸入水中的部分(cm)；101325——大氣壓數值(單位：帕)；40——1mL 水溶解的SO₂氣體的體積(mL)；98——由直玻璃管中水產生的壓強根據公式P=ρgh(ρ:水的密度，g：重力加速度為9.8m/s2，h：直玻璃管中水的高度即△L)通過變換單位運算得出]

學生在進行實驗驗證時，采用了對比實驗，用向上排空氣法分別收集了一瓶干燥的HCl氣體與一瓶干燥的SO₂氣體，并按右圖所示的裝置進行實驗。當將膠頭滴管中的水擠出后，打開止水夾，裝有HCl氣體的燒瓶中的噴泉很快發生，但裝SO2氣體的燒瓶中卻沒有產生噴泉。其中一個同學夾上止水夾后將燒瓶取下，翻轉搖動了幾下，再裝上，當打開止水夾時，噴泉便馬上發生了。重復試驗，改用2瓶SO₂氣體對比，一瓶搖動，一瓶不搖動，搖動的噴泉很快發生，不搖動的要過比較長的時間噴泉才會發生，但最后燒瓶中液面的高度不論是搖動還是不搖動，裝SO₂氣體的要比裝HCl氣體的高。據此，回答下列問題：

(1)為什么用HCl氣體噴泉很快發生？而用SO₂氣體則擠入水后要搖動才能盡快發生？_______。

(2)噴泉發生后燒瓶中的液面，為什么用SO₂氣體比用HCl氣體的要高？__________。

[問題解析]

(1)SO₂的溶解度比HCl的要小很多，溶解速率慢，需搖動燒瓶加快SO2氣體的溶解。

(2)①SO₂的式量比HCl大(即SO₂的密度比HCl的密度大)，排空氣法收集的SO₂多；②SO₂溶于水后生成H₂SO₃，H₂SO₃比SO₂易氧化，當氧化生成H2SO4時又消耗了燒瓶中的部分O₂。

[問題的拓展]

在2002年高考考查了噴泉實驗的操作以后，引發有關噴泉實驗的研究可以說到了一個空前的程度。我們也從實驗原理入手，結合同學們日常生活中的一些行為習慣，編撰了一道綜合實驗題，來評價學生的知識水平與操作能力，使用了3年，效果良好。

問題：右圖是某同學用兩個塑料礦泉水瓶組裝的一套噴泉實驗的裝置，上瓶中的小試管與玻管扎在一起，K1、K2、K3是止水夾。實驗時，打開K1、關閉K3，先將玻管向上瓶移動，利用瓶底使玻棒將固體A(紗包)約有一半浸入到溶液B中，反應立即發生。

(1)固體A是______，溶液B是_________；使裝有固體A的紗包一半浸入到溶液B中的目的是___________。

(2)檢驗生成的氣體已充滿上瓶的可靠方法(現象)是___________。

(3)反應充分后(假設上瓶生成的氣體已充滿)，關閉K1、K3，用注射器通過橡膠塞向上瓶注入約1mL水，能觀察到的現象是_________，然后，打開K2、K3，能觀察到的現象有____________。

(4)當上瓶生成的氣體充滿后，若沒有注射器向上瓶注水，則能使噴泉發生的一種最簡便的方法是__________。

答案

(1)生石灰(CaO)或堿石灰；濃氨水；浸入部分與濃氨水作用生成氨氣，未浸入部分可用于干燥氨氣。

(2)用濕潤的紅色石蕊試紙靠近上瓶出口，變藍，或用蘸有濃鹽酸的玻棒靠近上瓶出口，有白煙產生。

(3)上面礦泉水瓶變癟；形成藍色噴泉、上瓶逐漸鼓起、下瓶中的水面逐漸下降。

(4)關閉K1，打開K2、K3，將上瓶輕輕擠壓，當看到下面的玻管中有較多的氣泡產生后，再松手，噴泉即可發生。

評析

飲用酸奶與礦泉水，是大多數學生每天要進行的生活行為。擠壓軟瓶人人都會，利用壓力差產生噴泉的物理原理也都清楚，但能否聯系所學知識進行應用并優化，不通過訓練是很難養成這樣的習慣的。初遇此題，大多數學生對第(1)問，一是忽視濃(氨水)，二是忽視干燥的作用。對第(2)問，大多數同學都是選取在上瓶下出口處出現白霧的現象，殊不知，由于氨氣的密度小，在空氣中擴散快，如果當時空氣干燥，則“看到白霧”是不可靠的。對第(3)問的前一空，很多同學不知怎么說，而對第二空，一般都填不完整。對第(4)問，按最優答案作答者廖廖無幾，雖然有不少學生是采取了“先關閉K1、K2，打開K3擠壓下瓶，待上瓶中有水從直導管冒出時，再打開K2”的思路，可見缺乏評價能力與比較優化；但有很多學生還是“用冰袋或暖袋敷上瓶”的高考原題思維模式，將自己每天都在玩、都會做的事忘于腦后，可見學習與生活的脫節。通過此題練習，一是要求同學們對氨氣的制備原理要能夠遷移，對氨氣的檢驗與噴泉實驗的操作要能夠優化；二是提醒同學們注意，要學好化學必須學好其它科學知識，必須理論聯系實際，必須關注生活，活學活用。

[使用記錄]

曾在校內使用。

[教育價值]

此題以噴泉實驗的現象與原理為載體，通過操作的細微差別入手，考查了HCl氣體與SO2氣體的性質，包括密度、溶解性、連續反應的性質以及加快氣體溶解的操作方法等知識，試題內容來源于真實的實驗研究，論據充分。通過題干的敘述使學生明確在進行化學實驗時，運用物質性質與實驗操作中存在的一些技巧與細節。

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