氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂原因的探究實驗

王燕 凌一洲

江蘇省教育科學十四五規劃課題“高中化學循證教學實踐研究”（編號：D/2021/02/113）研究成果。

摘要：? 對氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的原因開展實驗探究。實驗一在量筒中加入無水乙醇分別浸沒氧化鈣和氫氧化鈣兩種固體粉末，可測得粉末的體積，從而計算它們的真密度。結果表明，氧化鈣吸水變成氫氧化鈣后，真密度從3.45g/cm3變為2.33g/cm3，質量是原來的1.32倍，相當于真體積膨脹至原體積的1.95倍。實驗二讓10cm3氧化鈣粉末充分吸收水蒸氣3天，再放回到量筒中重新測量體積，發現粉末堆積體積增大至22cm3。因此，試劑瓶破裂的原因是氧化鈣受潮吸水后體積大幅膨脹。

關鍵詞： 氧化鈣； 氫氧化鈣； 真密度； 視密度； 實驗探究

文章編號： 10056629（2024）04008004

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

人教版九年級《化學》教材上冊有一道習題：“有位化學教師取用生石灰時，發現裝滿生石灰的塑料試劑瓶已經膨脹破裂。你能解釋這是為什么嗎？［1］”教師參考用書提供的參考答案是：“生石灰在保存過程中吸收空氣中的水，發生反應而放熱膨脹，導致塑料試劑瓶膨脹破裂。”但是，無論試劑瓶密封或不密封的情況，參考用書的解釋從理論上都是站不住腳的［2］：如果試劑瓶不密封，雖然允許空氣中的水蒸氣進入，但瓶內氣體遇熱膨脹后便也能夠飄散到瓶外，不至于使試劑瓶內部壓強過大；如果試劑瓶密封，瓶內的水蒸氣含量非常少，不足以反應后產生大量的熱，增大氣體壓強使試劑瓶撐破。因此，本文設計探究實驗，帶學生探究氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的真正原因。

1? 實驗原理

1.1? 氧化鈣與水反應的歷程

氧化鈣與水蒸氣生成氫氧化鈣的反應，方程式為CaO（s）+H2O（g）Ca（OH）2（s），反應過程可以分為3個階段（見圖1）［3］。第1階段，氧化鈣顆粒的外表面與水蒸氣接觸，迅速在外表面生成致密的氫氧化鈣

薄膜，這一階段反應速率較快。第2階段，由于受到氫氧化鈣薄膜阻隔，外層水蒸氣難以與顆粒內核的氧化鈣直接反應，而是先溶解“外層Ca（OH）2”形成過飽和溶液，然后通過滲透、擴散不斷與內層氧化鈣反應形成“內層Ca（OH）2”，此時外層的過飽和溶液會重結晶為固體的“外層Ca（OH）2”。第3階段，隨著“外層Ca（OH）2”厚度的增加，Ca（OH）2會受內部應力和外部擾動，碎裂為鱗片狀，變得疏松。

1.2? 固體粉末密度的兩種表征方式

由于固體粉末結構的特殊性，其密度可用真密度（true density）和視密度（apparent density）等不同方式表征。真密度是指材料在絕對密實的狀態下的密度，即去除顆粒間空隙后的密度；視密度又名視相對密度，是指粉料自由填充時的密度，即包括顆粒間空隙的密度［4］。兩者的計算公式如下：

ρ真=m/V真

ρ視=m/（V真+V空）

式中：ρ真——真密度，ρ視——視密度，V真——粉末的真體積，V空——空隙體積。

在本研究中，氧化鈣轉變為氫氧化鈣時，密度變化源自于兩個方面：（1）物質轉變自身；（2）介觀結構變化。對于前者，為排除材料孔隙對密度變化的影響，將采用真密度作為比較依據；而對于后者，介觀孔隙結構在密度變化過程中扮演著重要角色，因此適合采取視密度作為表征依據［5］。

基于上述討論可總結出氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的真正原因：（1）在第1、2階段，氧化鈣變成氫氧化鈣，真密度變小，體積膨脹；（2）在第3階段，氫氧化鈣由球殼形狀變成鱗片形狀，微觀層面顆粒之間的空隙增大，宏觀層面變蓬松，視密度變小，體積進一步膨脹。

2? 解釋真密度減小的實驗

本實驗旨在測量和比較CaO、 Ca（OH）2固體粉末的真密度差異。學生已經在物理課上學習了多種測量固體密度的方法，基本計算公式為：密度ρ=質量m/體積V，質量m可以用電子秤稱量，而測量CaO、 Ca（OH）2固體粉末的體積V對學生而言是一個新的問題。測量V的常用方法是把固體浸入量筒的水中，讀出浸入前體積V1和浸入后體積V2，其差值即為固體體積：V固體=V2－V1。但是，CaO一旦浸入水中，就會與水發生劇烈反應。因此，學生想到可以用一種不與CaO反應的液體——無水乙醇來浸沒固體粉末。

2.1? 實驗用品

試劑：氧化鈣（分析純）、氫氧化鈣（分析純）、無水乙醇（分析純）

儀器：分度值0.01g的電子秤、50mL量筒、漏斗、藥匙、玻璃棒、滴管

2.2? 實驗步驟與結果

（1） 在量筒中倒入接近15mL的無水乙醇，然后用滴管逐滴滴加至15.0mL刻度線；

（2） 用電子秤準確稱量10.00g CaO固體粉末，通過漏斗倒入量筒中攪拌，并用藥匙把粘在量筒內壁的粉末刮落，讀出此時量筒示數V2；

（3） 計算V氧化鈣=V2－15.0mL， ρ氧化鈣=10.00g/V氧化鈣；

（4） 把稱量的10.00g CaO粉末換成等質量的Ca（OH）2粉末，重復上述步驟，測算得到V氫氧化鈣和ρ氫氧化鈣。

（5） 實驗測得結果如表1所示。ρ氧化鈣為3.45g/cm3，與文獻數據相比偏大3.9%；ρ氫氧化鈣為2.33g/cm3，與文獻數據相比偏大4.0%。結果顯示ρ氫氧化鈣是ρ氧化鈣的0.68倍，即等質量的氫氧化鈣體積是氧化鈣的1.48倍。在反應過程中，氫氧化鈣質量還會比原先的氧化鈣增大74/56=1.32倍（因為結合了水），因此真正膨脹的體積為1.48×1.32=1.95倍，這是使試劑瓶破裂的原因之一。

2.3? 幾點說明

（1） 分析純的無水乙醇中只含有極少量（0.5%）的水，可以忽略不計。

（2） 浸液的選取需要滿足三個條件：①不與粉體發生化學反應；②能夠浸潤粉體；③表面張力盡可能小，從而盡可能完整地填充粉體中的孔隙而不形成氣泡。除無水乙醇外，還可以用丙醇、丁醇、液態烷、液態酯等。

（3） 對于真密度的變化，從晶體結構層面來看（見圖2），CaO屬NaCl型結構，Ca2+與O2-作面心立方堆積，二者以離子鍵相結合；而在Ca（OH）2中，OH-與Ca2+形成層狀結構，層內通過離子鍵相結合，而層間主要通過氫鍵相結合［6］，作用力相較于CaO小得多，層間距也使得層狀的Ca（OH）2的密度顯著小于CaO。

3? 解釋視密度減小的實驗

實際上，試劑瓶中的氫氧化鈣密度比理想的真密度更小，因為顆粒之間存在空隙，用視密度來計算更為合適。本實驗旨在讓學生直觀感受到兩種密度的差異，認識到視密度更適合試劑瓶中的實際情況。

3.1? 實驗用品

試劑：氧化鈣（分析純）、無水硫酸銅、蒸餾水

儀器：分度值0.01g的電子秤、50mL量筒、藥匙、表面皿、海綿、塑料尺、試管、酒精燈、干燥管

3.2? 實驗步驟與結果

（1） 用藥匙把氧化鈣粉末放入50mL量筒中，直到10mL刻度處（V氧化鈣=10cm3），注意在此過程中輕輕敲擊、震動量筒，使粉末表面平整。

（2） 把10cm3氧化鈣粉末倒入表面皿中，均勻鋪開。

（3） 在表面皿上方架2把塑料尺，在塑料尺上方覆蓋一塊濕潤的海綿（注意海綿不能太濕，不要讓液態水滴下），靜置3天。此時可以看到，隨著氧化鈣與水蒸氣反應生成氫氧化鈣，部分粉末發生了結塊成團（見圖3）。

（4） 把反應后的粉末放回量筒，發現體積超過22mL，說明固體體積膨脹超過了真密度的比例（1.95倍），而實際情況應采用視密度。這是因為氫氧化鈣的介觀形貌發生了變化，形成鱗片狀孔隙結構（已有研究的SEM圖像見圖4），使得材料體積在原有基礎上進一步增加。

（5） 用藥匙取少量久置后的粉末放入試管中，用酒精燈加熱，把氣體通入盛有無水硫酸銅的干燥管，觀察到白色粉末變藍，證明粉末久置后轉變為氫氧化鈣。

3.3? 幾點說明

（1） 在把粉末加入量筒時，如有粉末粘在量筒內壁，可用藥匙將其刮落。實驗完畢的量筒可用稀鹽酸清洗。

（2） 若要直觀演示視密度比真密度小，教師可以往氫氧化鈣粉末中滴加無水乙醇，可以發現固體粉末出現大幅塌陷。然后引導學生聯想生活場景：在沙子中倒水，體積不僅沒有增大，反而“凹陷”了下去。這些現象說明，視密度囊括了粉末空隙中的空氣，因此比真密度小。

4? 避免試劑瓶膨脹破裂的方法

（1） 每次取用試劑后蓋緊瓶蓋，防止水蒸氣進入瓶內發生反應。

（2） 蓋緊的瓶蓋也可能有輕微漏氣，可用多層塑料膜覆蓋瓶口，用線繩把塑料膜緊緊纏繞在瓶頸，形成“緩沖式保護”，可有效阻隔氣體的流通［10］。

（3） 市售氧化鈣試劑瓶大多是白色半透明的，可定期用強光手電照射，觀察瓶內粉末的高度，如果接近瓶口應及時處理。

（4） 可搖晃試劑瓶，排除一部分瓶內粉末間的空隙，提高粉末的堆積密度［11］。

5? 結語

本實驗起源于“氧化鈣試劑瓶膨脹破裂”的現象，在探究過程中，一方面讓學生從宏觀層面認識到氧化鈣到氫氧化鈣真密度的降低，以及視密度的進一步降低，解釋了試劑瓶破裂的真正原因。另一方面通過微觀探析，讓學生理解氧化鈣與水反應的三個階段，加深對反應歷程的認識。

本實驗無論作為演示實驗還是課后拓展實驗，都建議教師帶領學生從理論探討中形成假設——由微觀層面的CaO和Ca（OH）2的化學鍵結合強度差異推測真密度的不同，由介觀層面的氫氧化鈣顆粒形貌推理視密度較小，然后通過設計實驗來檢驗假設，培養學生宏微結合、實驗探究的素養。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學·九年級上冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 148.

［2］繆培. 塑料瓶到底是怎么脹破的［J］. 理科考試研究， 2019， 26（10）： 58～59.

［3］［9］熊爽， 嚴金生， 周洲等. 生石灰消化反應條件對氫氧化鈣特性影響［J/OL］. 無機鹽工業： 114［20231112］. DOI： 10. 19964/j.issn.1006-4990.20230051.

［4］田新娟， 龍亞平， 肖文釗等. 灰分和硫含量對煤的視相對密度測定結果的影響［J］. 煤質技術， 2012， （6）： 42～43， 49.

［5］Seville J.P.K.， Wu C.Y.. Particle technology and engineering： An engineers guide to particles and powders： Fundamentals and computational approaches ［M］. Oxford， English： Butterworth-Heinemann， 2016： 18～22.

［6］吳俊明， 李建強. “分子中原子相互影響”觀念的基礎、養成、意義和應用［J］. 化學教學， 2015， （6）： 3～9.

［7］Zhang H.， Zhao H.， Chen J.， et al.. Defect study of MgOCaO material doped with CeO2 ［J］. Advances in Materials Science and Engineering， 2013， （2013）： 673786.

［8］Aierken Y.， Sahin H.， Iyikanat F.， et al.. Portlandite crystal： Bulk， bilayer， and monolayer structures ［J］. Physical Review B， 2015， 91（24）： 245413.

［10］李旭娃. 實驗室化學藥品的緩沖式保護［J］. 化學教學， 2016， （3）： 70～73.

［11］馬小強. 利用粉末堆積理論對廢樹脂熱態超壓深度減容的探討［J］. 中國核電， 2021， 14（6）： 787～793.