變大的小氣球

河北省保定市新市區(qū)樂(lè)凱中學(xué) 閆 霞

變大的小氣球

河北省保定市新市區(qū)樂(lè)凱中學(xué) 閆 霞

學(xué)習(xí)堿的化學(xué)性質(zhì)時(shí)，老師做了一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，在集氣瓶上配一個(gè)單孔塞，單孔塞上固定一根細(xì)玻璃管，玻璃管的下端系上一個(gè)癟的小氣球。實(shí)驗(yàn)時(shí)先在集氣瓶?jī)?nèi)裝滿二氧化碳?xì)怏w，然后倒入氫氧化鈉溶液，迅速蓋緊單孔塞，并輕輕搖晃集氣瓶，可以看到集氣瓶?jī)?nèi)的小氣球慢慢變大，直到幾乎要充滿整個(gè)集氣瓶。這是怎么回事呢？

圖1

原來(lái)，氫氧化鈉與集氣瓶中的二氧化碳反應(yīng)，使瓶?jī)?nèi)的氣體體積減小，氣壓小于瓶外的大氣壓，所以氣球的體積會(huì)由小變大。

分析完了實(shí)驗(yàn)原理，老師又針對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)提出了一系列問(wèn)題，讓我們也一起來(lái)思考一下吧。

問(wèn)題一：這個(gè)實(shí)驗(yàn)真的可以證明二氧化碳確實(shí)是與氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)嗎？

氫氧化鈉溶液中除了氫氧化鈉之外還有水。結(jié)合二氧化碳的性質(zhì)我們知道，二氧化碳能溶于水，這也會(huì)使瓶?jī)?nèi)的氣壓變小。那怎樣才能排除水對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾呢？很快便有同學(xué)想到做一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備兩個(gè)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，都收集滿二氧化碳?xì)怏w，然后向兩瓶?jī)?nèi)分別倒入等體積的水和氫氧化鈉溶液，觀察有沒(méi)有不同的現(xiàn)象。大家觀察到，倒入水的集氣瓶?jī)?nèi)的氣球也變大了，但是相比倒入氫氧化鈉溶液的那個(gè)集氣瓶?jī)?nèi)的氣球小多了。氫氧化鈉溶液消耗了更多的二氧化碳，這說(shuō)明二氧化碳確實(shí)能與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)。

問(wèn)題二：在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，氣球變大的原理相同嗎？還有哪些實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了相似的實(shí)驗(yàn)原理呢？

對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)同學(xué)們可以發(fā)現(xiàn)，倒入氫氧化鈉溶液的集氣瓶?jī)?nèi)的氣球變大，主要是利用了二氧化碳能與氫氧化鈉反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)，是化學(xué)變化引起的；倒入水的集氣瓶?jī)?nèi)的氣球變大，主要是利用了二氧化碳能溶于水的物理性質(zhì)，是物理變化引起的。

回顧初中學(xué)過(guò)的化學(xué)知識(shí)，有同學(xué)很快想到了一個(gè)熟悉的實(shí)驗(yàn)：測(cè)定空氣中氧氣的含量。該實(shí)驗(yàn)利用紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶?jī)?nèi)的氣壓減小，故是由化學(xué)變化引起的。在老師的提示下，根據(jù)熱脹冷縮的原理，同學(xué)們又想到了一個(gè)例子：在集氣瓶?jī)?nèi)先加入硝酸銨固體，再倒入水，然后迅速蓋緊瓶塞，也會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。硝酸銨固體溶于水時(shí)吸收大量的熱，使瓶?jī)?nèi)溫度降低，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣壓小于外界大氣壓，這是由物理變化引起的。

問(wèn)題三：如果把小氣球固定在玻璃管的上端，如圖2所示，你能讓小氣球變大嗎？這時(shí)集氣瓶?jī)?nèi)的氣壓有什么變化？

圖2

有了前面的經(jīng)驗(yàn)，同學(xué)們的思路一下打開(kāi)了：讓集氣瓶外面的小氣球變大，一定是讓瓶?jī)?nèi)的氣壓大于外界大氣壓。使集氣瓶?jī)?nèi)氣壓變大不過(guò)就是兩個(gè)方法：一是通過(guò)化學(xué)變化生成大量的氣體；二是通過(guò)物理變化使集氣瓶?jī)?nèi)的溫度升高。

關(guān)于生成氣體的反應(yīng)，同學(xué)們歸納出了三種，分別是生成氧氣、氫氣和二氧化碳的反應(yīng)；關(guān)于溫度升高的變化，大家想到了氫氧化鈉固體溶于水放熱。“可是氧化鈣放入水中也會(huì)放熱呀，這可是一個(gè)化學(xué)變化！”一位同學(xué)的問(wèn)題馬上引發(fā)了大家的思考。看來(lái)溫度升高不一定就是物理變化引起的，還有可能是化學(xué)變化，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的過(guò)程中常常伴隨著能量變化。

通過(guò)這節(jié)課的研究和討論，同學(xué)們都深受啟發(fā)，看似簡(jiǎn)單的小氣球變大的問(wèn)題，不僅僅關(guān)系到氣壓的變化，竟然還蘊(yùn)含著這么多的化學(xué)知識(shí)呢！