再議壓強差在化學實驗中應用

四川省瀘縣第二中學(646106) 劉 宇

噴泉實驗、尾氣吸收、啟普發生器、恒壓分液漏斗等化學實驗或者儀器的使用都涉及到壓強差原理,但是在原理的分析時有的學生一知半解,導致對問題的分析混亂、模糊,不能得出準確的解釋,實驗時不能作出正確的選擇。本文通過對壓強差原理及實例探析,幫助學生分析原理、樹立解答化學實驗試題的信心。

1 利用壓強差的實驗操作

例1：(1)如圖1(a)所示裝置,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

(2)如圖1(b)所示裝置,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

圖1 例1圖示

答案：(1)A；(2)A。

解題思路：從以上2個實驗裝置圖中不難發現,改變上部燒瓶壓強不可能,因此可以考慮增大下部氣體的壓強。裝置(a)中,在錐形瓶中存在化學反應,結合PV＝nRT,若反應生成氣體,可使得下部壓強增大,結合選項易得答案。裝置(b)中不存在化學反應,結合PV＝nRT,考慮對體系升溫,也可以達到增加下部氣體壓強要求,結合選項易得答案。

歸類點拔：(1)噴泉的形成原理是通過改變一方的壓強形成壓強差,可以減小一端壓強,也可以增加一端的壓強。

(2)只要利用了壓強差的都可以類比噴泉實驗來解題。

例2：(節選)1,2-二溴乙烷可作抗爆劑的添加劑。圖2為實驗室制備1,2-二溴乙烷的裝置圖,圖中分液漏斗和燒瓶a中分別裝有濃硫酸和無水乙醇,d裝置試管中裝有液溴。

圖2 例2圖示

表1 相關物質性質

安全瓶b在實驗中有多重作用,其一是可以檢查實驗進行中d裝置中導管是否發生堵塞,請寫出發生堵塞時瓶b中的現象：___________________；如果實驗時d裝置中導管堵塞,你認為可能的原因是_____________________；安全瓶b還可以起到的作用是_______________________________________。

答案：b中長直玻璃管內液柱上升；過度冷卻,產品1,2-二溴乙烷在裝置d中凝固；防倒吸。

解題思路：當d裝置中導管發生堵塞時,氣體流動不暢,安全瓶b中壓強增大,導致安全瓶b中長直玻璃管內液柱上升。由于1,2-二溴乙烷的熔點為9.79℃,如果d裝置燒杯中冰水溫度過低,1,2-二溴乙烷凝固,d裝置導管中發生堵塞。因此,安全瓶b還可以起到防倒吸的作用。

拓展延伸：在傳輸氣體的導管中部接入裝置(短進短出的導管用于排氣、中間一導管或者漏斗插入溶液),可用于快速觀察出氣的導管是否堵塞或者氣流太快排放不及時而發生危險。

2 消除壓強差的實驗操作

例3：已知HCl難溶于CCl4,在圖3所示裝置中,不適宜于HCl氣體尾氣吸收的是( )。

圖3 例3圖示

答案：B。

解題思路：將HCl通過倒扣的漏斗進行吸收并將漏斗口置于液面,一方面接觸面積大,另一方面由于裝置冷卻導致的壓強差會使水倒吸入漏斗,但漏斗口會迅速和液面脫離,故A項合理。將倒扣的漏斗伸入液面下,水會倒吸入熱的發生裝置從而發生危險,故B項不合適。將CCl4置于水的下層,HCl通過導管進入CCl4層,氣體上升至水層被吸收,但HCl難溶于CCl4,即使存在壓強差也僅僅使得導管中形成CCl4液柱(消耗掉壓強差后穩定),不會有冷溶液倒入發生裝置而發生危險,故C項合理。將HCl通過干燥管通入水,若出現壓強差水也只是倒吸入干燥管球體中即可消除壓強差的影響,不會發生危險,故D項合理。

能力提升：倒吸是化學實驗中的一種常見實驗現象,教學中常講倒吸的原因是由于反應器冷卻過程中使得其內壓強減小,與外部環境形成壓強差,大氣壓將冷的水(或溶液)壓入反應器中使得熱的發生裝置驟冷發生爆炸。但實際上壓強差會導致導管中液柱的形成,只有形成的液柱吸收(反應或者溶解)體系內的氣體,持續形成的壓強差將液柱壓回熱的發生裝置,這時水才會進入到發生裝置而出現裝置炸裂的危險。

例4：(節選)某課外活動小組欲利用CuO與NH3反應,研究NH3的某種性質并測定其組成,設計了如圖4所示的實驗裝置(夾持裝置未畫出)進行實驗。請回答下列問題：

圖4 例4圖示

(1)儀器A中導管的作用是_______________；

(2)讀取氣體體積前,應對裝置F進行的實驗操作是______________________________________。

答案：(1)平衡分液漏斗內溶液壓強,使得溶液能順利流下。

(2)慢慢上下移動右邊漏斗,使左右兩管液面相平。

解題思路：(1)該裝置是由普通分液漏斗改進制成,添加橡膠管是為了消除液面上下的壓強差,在重力作用下濃氨水流入燒瓶進行反應。

(2)F裝置在接入前,兩端液面相平。產生氣體進入量氣管后,左側液面下降、右側液面上升,瓶內壓強與大氣壓不相等,不能利用體積計算收集氣體的物質的量,重新調平兩側液面,即可通過大氣壓折算出氣體物質的量。

能力提升：本題的兩個裝置均是為了消除壓強差對實驗產生的影響。用于實驗時分液漏斗中添加的是易揮發的溶液(如濃氨水、濃硝酸等)或是易被空氣中氣體污染的溶液(如氫碘酸溶液等)。添加橡膠管能保證溶液不與空氣接觸,且可平衡分液漏斗內溶液壓強,使液體順利流下。

類似壓強差這樣的化學實驗原理在化學實驗中的應用很常見,探析原理本質,方能快速、正確的解答相關問題,從源頭上解決問題。