巧借壓強變化探究活性炭的吸附性

樊麗靜 劉強

摘要：從定性實驗和定量實驗（DIS實驗）兩個方面進行了活性炭的吸附性實驗探究。提供活性炭吸附不同氣體的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，啟發(fā)學(xué)生比較相關(guān)因素、分析吸附規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析的能力。

關(guān)鍵詞：活性炭;吸附性;氣體壓強;數(shù)字化實驗

文章編號：1008-0546（2022）03x-0085-02??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.0022

生活中，我們常常接觸到這樣一種炭，它應(yīng)用于凈水器濾芯、防毒面具及冰箱除味等，那就是活性炭。在“水的凈化”教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)知道活性炭可用作凈水器中的吸附劑。那么，活性炭為什么具有吸附性呢？通過教師的恰當?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生答到：“這是由其結(jié)構(gòu)決定的，因為結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。”確實如此嗎？將活性炭在顯微鏡下放大（如圖1所示），觀察其表面具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定其表面積大、表面活性強，因此具有良好的吸附性，其可用于吸附氣體或溶液中的色素，應(yīng)用于生活中可作吸附劑[1]。如何通過實驗的方法驗證活性炭的吸附性呢？筆者借用氣體壓強變化的原理來探究活性炭的吸附性，取得了不錯的教學(xué)效果。

實驗（一）定性研究：倒吸現(xiàn)象驗證氣壓變化（如圖2）。

在學(xué)習(xí)測定空氣中氧氣體積分數(shù)的實驗中學(xué)生已經(jīng)知道，紅磷燃燒消耗了氧氣，氣體減少后使得密閉裝置內(nèi)氣體壓強變小，最終導(dǎo)致水倒吸入瓶中。同學(xué)們能從該實驗中得到什么啟發(fā)呢？活性炭吸附氣體的實驗?zāi)芊穹抡胀瑯拥脑碓O(shè)計？教學(xué)中筆者設(shè)計了如下實驗，錐形瓶內(nèi)預(yù)先收集黃綠色的有毒氣體（氯氣），燒杯中盛有紅色液體，將活性炭加入到錐形瓶中，迅速塞緊橡皮塞，觀察現(xiàn)象。可觀察到燒杯中紅色液體倒吸入中間的瓶中。一段時間后，液體停止倒吸，錐形瓶中的黃綠色消失，幾乎呈無色。發(fā)生這樣的實驗現(xiàn)象原因是什么？這是由于活性炭吸附了氯氣，導(dǎo)致錐形瓶內(nèi)氣體減少，氣體壓強變小，大氣壓將燒杯中的紅色液體壓入中間的瓶中。通過液體倒吸，學(xué)生可以感受到活性炭的吸附性是真實存在的，且利用該實驗，還可以進一步對比木炭與活性炭的吸附能力強弱。

實驗（二）定量研究：數(shù)字化實驗監(jiān)測氣壓變化（如圖3、圖4）。

活性炭在密閉裝置內(nèi)吸附氣體后引發(fā)的氣體壓強變化，可以借助壓強傳感器通過數(shù)據(jù)和圖像直觀、實時監(jiān)測實驗過程中錐形瓶內(nèi)的氣壓變化。實驗過程如下：

將盛有氯氣的錐形瓶依次連接壓強傳感器——數(shù)據(jù)采集器——DIS軟件（電腦）[2]。準備就緒后，開始實驗：向錐形瓶內(nèi)倒入一定量的活性炭，迅速塞緊橡皮塞，觀察氣體壓強的變化情況。我們觀察到壓強數(shù)值逐漸變小，由最開始的100.7 kPa最終變?yōu)?3.5 kPa左右，之后基本不再變化（圖4）。利用DIS實驗觀察錐形瓶內(nèi)氣壓變化的圖像能夠給學(xué)生較為直觀的感受，最開始有一個陡降的過程，隨后曲線變化趨于平緩，最后幾乎保持不變。與此同時，還可以觀察到錐形瓶內(nèi)黃綠色氣體消失，幾乎呈無色。

為了進一步研究活性炭的吸附性，筆者請同學(xué)們查閱了相關(guān)資料，下表1列出了同溫同壓下，1 cm3活性炭所能吸附的常見氣體的體積。

通過表中數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)：相對分子質(zhì)量較大、沸點較高的物質(zhì)的氣體，較容易被活性炭吸附。像氯氣、二氧化氮這樣的物質(zhì)相對分子質(zhì)量較大，相應(yīng)的它們的沸點也較高。相同條件下，活性炭吸附這些有毒氣體的體積遠大于氧氣。因此，這也解釋了防毒面具或活性炭口罩在吸附某些有毒氣體時，對人體吸入氧氣影響不大。我們也要注意，活性炭的吸附能力是有限的，吸附到一定程度后就會失去吸附能力，必須經(jīng)過活化處理后才能重新使用。

通過上述兩個實驗，將活性炭的吸附性與氣體壓強變化聯(lián)系在一起，運用定性與定量相結(jié)合的手段探究活性炭的吸附性，學(xué)生可以直觀、全面認識活性炭的吸附性。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心編著.義務(wù)教育教科書（化學(xué)九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]韋存容，馬宏佳.數(shù)字化實驗研究竹炭、活性炭對甲醛等氣體的吸附能力[J].化學(xué)教與學(xué)，2015（12）：95-98.

1978501705217