壓強在初中化學實驗中的應用

■金志華

壓強在初中化學實驗中的應用

■金志華

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

結合多年教學經歷，就壓強與實驗裝置的氣密性檢查、壓強與氣體體積的測定、壓強與實驗方案的設計、壓強與實驗的安全性及合理性等方面，談談對實驗教學的總結、應用和創新。

實驗是化學的基礎，更是初中化學的生命和靈魂。新課標要求學生初步形成基本的化學實驗技能，能設計和完成一些簡單的化學實驗，初步學會運用觀察、實驗等方法獲取信息。實驗較好地體現了學生對知識的綜合能力和創新能力。在新課改的教學實踐中，筆者越來越體會到實驗在化學教學和化學中考中的地位與日俱增，而壓強在許多實驗的操作、設計中起著至關重要的作用。

1 壓強與實驗裝置的氣密性檢查

對于實驗裝置氣密性的檢查方法，學生如果死記硬背，很容易將不同情況下的檢查方法相互混淆、張冠李戴，但如弄清其壓強變化的原理后，就能輕松應對了。

初中化學中典型氣體發生裝置有三種。

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：先將導管浸入水中，再用手緊捂試管外壁，導管口有氣泡產生，松開手后，導管內形成一段穩定的水柱，則氣密性良好。原理：如裝置和氣密性良好，則升溫后裝置內壓強增大，大于外界大氣壓，氣體逸出，再冷卻至室溫，此時壓強小于外界大氣壓，所以水倒吸形成一段穩定的水柱；如有少許漏氣，則裝置內外壓強會逐漸趨于相同，形成的水柱會逐漸回落。

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單方法：先用止水夾夾緊導氣管，再關閉漏斗活塞并向漏斗內加水，然后打開活塞，如水下滴一會兒后不再下滴，則氣密性良好。原理：將水注入錐形瓶時，如不漏氣，則瓶內氣壓會逐漸增大，進而阻止水繼續下滴；如漏氣，則裝置內外壓強始終相等，水就會一直往下流，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，漏斗內壓強會不斷減小，錐形瓶內不斷產生氣體，壓強較大，所以一段時間后，液體也將難以流下。解決方法是打開瓶塞，使壓強增大后重新塞上。

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頸漏斗就可以了。該套裝置的氣密性檢查方法很多，如向長頸漏斗中加水形成液封后夾緊導氣管，繼續加少量水，漏斗內液面高于錐形瓶內液面，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，再向漏斗內加水，錐形瓶內氣體無法外逸導致壓強增大，漏斗內液面就無法下降；如氣密性不好，最終錐形瓶內外壓強相等，漏斗內液面與錐形瓶內液面就會相平。再如，先使漏斗下端形成液封，再在導管處連接一針筒，向外緩緩拉動活塞，漏斗末端有氣泡產生；或緩緩向內推動活塞，漏斗內形成一段穩定的水柱，則氣密性良好。原理：不漏氣時，向外拉活塞，使裝置內氣體體積增大，壓強減小，外面氣體就被抽進來了；向內推活塞，則裝置內氣體體積減小，壓強增大，水被壓出形成水柱；如漏氣，則裝置內外壓強一直相等，無上述現象發生。

氣體發生裝置還有很多，氣密性檢查的方法也多種多樣，但本質都是利用壓強的變化來實現的。另外，氣密性檢查一般都離不開水，其原因主要是兩點，一是利用水使裝置內氣體處于密閉狀態，二是有了水壓強是否變化就能明顯地表現出來，讓人能方便地直觀地感知到。學生了解了這些原理后，解決這類問題時就有了靈感和創造性，顯得游刃有余。比如，筆者問：“現有一只燒杯、一只集氣瓶、一支底部有小洞的試管和一只帶導管的單孔橡皮塞，能用來制得一瓶二氧化碳氣體嗎？”學生都說能，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呢？”學生短暫討論后就有了結果：先將導氣管用止水夾夾緊，然后用力將試管浸入盛水的燒杯中，水不能進入試管，則不漏氣。

2 壓強與氣體體積的測定

氣體體積的測定也是初中化學實驗技能的考查內容之一，最直接的方法一般是排水法（氣體能溶于水時，可用油等氣體難溶于其中的液體試劑來替代水）。如要測產生的少量氫氣的體積，運用排水法的第一種方案：將產生的氫氣由短導管通入盛滿水的洗氣瓶，瓶內氣體壓強大于外面大氣壓，就會將瓶內的水通過接近瓶底的長導管壓出瓶外，用量筒收集壓出的水，此時量筒內水的體積即近似為通常狀況下產生氫氣的體積。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，但結束時量筒內氣體體積不能看作氫氣在常壓下的體積，必須上下移動量筒使量筒與水槽內液面相平，即量筒內外壓強相同，這時量筒內氣體體積才是所測氫氣在常壓下的體積。第三種方案：用量氣管來測氫氣體積，同樣要注意調節量氣管高度，使反應前、后兩邊液面相平，這樣才能使反應前后氣體壓強相同，才是測出生成氫氣的真正體積。

另外，新教材中有關空氣中氧氣體積分數測定實驗，就是利用了紅磷燃燒耗盡氧氣，使集氣瓶內氣體壓強減小，小于外面大氣壓，引起水倒吸，倒吸入集氣瓶內水的體積即為瓶內氧氣體積來實現實驗目的的。值得注意的是，要使裝置內氣體冷卻到室溫才能打開止水夾，否則，雖然看上去反應前后壓強相等，卻是不同溫度下的壓強。只有恢復到常溫，倒吸入瓶內的水的體積才是常溫常壓下原有集氣瓶內氧氣的體積，用此時的氧氣體積除以反應前常溫常壓下瓶內空氣總體積，就得到氧氣在空氣中的體積分數。

3 壓強與實驗方案的設計

培養學生設計簡單的化學實驗的能力，是初中化學教學的重點和難點，其實在許多情況下，學生常常感到不得要領、難以下手，很茫然，但如果能有意識地利用壓強變化來顯現化學知識，往往會達到化難為易、化繁為簡的效果。比如：請通過簡單的實驗證明二氧化碳能溶于水。這時就可以用試管收集滿氣體后倒插入水中，看試管內液面上升情況：氣體在水中溶解得越多，試管內壓強越小，水面就上升得越高。或在軟塑料瓶內充滿二氧化碳，再注入少量水，振蕩，氣體溶于水后，瓶內壓強減小，瓶就會癟掉。還可以用集氣瓶來做這個實驗，先在瓶內充滿二氧化碳，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，說明瓶內氣體壓強減小，則該氣體能溶或易溶于水。

再如：請利用石灰石和鹽酸等試劑，設計實驗，探究反應速率與反應物接觸面積之間的關系。很顯然，要求設計的是一組對照實驗，唯一的變量是反應物的接觸面積，要實現這一變量，只要在兩支大小相同的試管中分別加入等質量的塊狀和粉末狀石灰石就可以了，再分別同時向試管中加入等體積、同濃度的稀鹽酸，反應就同時開始了。而誰快誰慢僅靠目測是難以令人信服的，能不能利用壓強的變化使速率大小很直觀地表現出來呢？學生討論后一致認為能，想出好多方法，如分別同時塞上帶氣球的單孔橡皮塞，看氣球膨脹的快慢；或分別同時塞上帶長導管的單孔橡皮塞（導管足夠長且均插到試管底部），看反應開始后導管內液面上升的快慢等（最終液面相平）。

另外，還有探究二氧化碳是否會引起溫室效應，探究氧化鈣與水反應時的能量變化，探究鐵生銹的條件，等等這些實驗均可利用壓強變化的思想來指導設計方案，達到實驗目的。

4 壓強與實驗的安全性、合理性

需要加熱的氣體發生裝置，一定不能密閉，這是所有化學研究者必須牢記的，因為密閉裝置中高溫氣體不斷產生，會使壓力越來越大，最終引起爆炸。有時裝置即使沒有密封，但反應產生氣體速率太快，反應放熱又較多，致使氣壓增大太快，也易引起爆炸。實驗室不用啟普發生器制備乙炔氣體就是因為這個原因。還有一種常見實驗是藥品需要加熱產生氣體，并將產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生的氣體通入澄清石灰水等。這類實驗在實驗結束時必須先將導管移出水面，再停止加熱，否則裝置內壓強突然減小，極易引起倒吸使熱的試管炸裂。

有時在實驗過程中氣流不夠連續時，氣壓忽大忽小，也易引起倒吸，這時需在溫差較大的兩裝置間連接一安全瓶。實驗室用長頸漏斗和錐形瓶制氫氣時，如反應速率太快，雖然漏斗下端形成液封，氣體因壓力過大也會有部分從漏斗中逸出。此時可在漏斗末端套一小試管，就能避免上述情況發生，并且更節約藥品。

還有課本在探究質量守恒定律時安排了這樣一個實驗：在密閉裝置中讓石灰石和稀鹽酸反應，并稱量反應前后裝置的總質量。這樣應該可以達到實驗目的了，但學生很快發現課本實驗中錐形瓶內還加了澄清石灰水，其用意何在呢？是用來檢驗二氧化碳的嗎？顯然不是，它的作用是吸收生成的二氧化碳氣體，防止錐形瓶內氣體壓強過大而使橡皮塞沖出或松動而漏氣。正是考慮到壓強的影響才使實驗設計更合理、科學，實驗操作更安全、可靠。

當然，與壓強密切相關的初中化學實驗還有很多，如加壓使氣體溶解度增大、減壓使液體沸點降低等，壓強在化學實驗中有著重要作用，教師應該在教學過程中不斷總結、應用和創新，以提高實驗能力。

江蘇省蘇州市草橋中學校）