氣壓變化對化學(xué)實驗的影響

文章編號:1008-0546(2010)04-0071-02中圖分類號:G633.8文獻標識碼:B

doi:10319/j.issn.1008-0546.2010.04.027

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，許多物質(zhì)的變化以及變化規(guī)律都是通過實驗手段被揭示的。初中化學(xué)實驗多是與氣體有關(guān)的實驗，氣壓的變化會對這類實驗的進行與結(jié)果產(chǎn)生十分明顯的影響。許多實驗的原理是利用氣壓的變化，如果氣壓控制不當，常常會造成實驗失敗，甚至發(fā)生事故。

一、氣壓變化對實驗過程的有利影響

1.利用氣壓的變化對裝置氣密性的檢查

氣密性的檢查是實驗前必須的一項基本操作，尤其是有關(guān)氣體的實驗，為確保實驗的成功，在加入藥品前必須進行氣密性的檢查。氣密性的檢查原理是把有關(guān)裝置與水構(gòu)成一個密封的環(huán)境(液封)，通過雙手緊貼在容器外壁，或用酒精燈微熱使裝置內(nèi)的氣壓發(fā)生改變，通過觀察液面的變化(有無氣泡或?qū)Ч苤杏袩o水柱的形成及水柱高度的變化)來判斷裝置的氣密性。

例如:用注射器檢驗實驗室制取二氧化碳的發(fā)生裝置的氣密性(如圖)。先從長頸漏斗口處注水，當水面超過長頸漏斗的下端，這時不論是推還是拉注射器的活塞，都能檢驗裝置的氣密性。

分析:當液面封住長頸漏斗的下端，另一出口與注射器連接，這時錐形瓶與注射器形成一個密封的環(huán)境。當推動注射器的活塞時，裝置內(nèi)的體積變小，氣壓增大，在長頸漏斗的下端就能形成一段水柱。若水柱能較長時間保持，則證明此裝置的氣密性良好。相反，當注射器的活塞向外抽動時，密封的空間增大，氣壓減小，外界空氣就會沿著長頸漏斗進入密封的空間內(nèi)，就會在錐形瓶底部水中形成氣泡。不論是氣泡還是水柱，都是裝置內(nèi)氣壓變化的具體表現(xiàn)，可以幫助人們判斷裝置的氣密性的好壞。另外，不用注射器也可以檢驗此裝置的氣密性。除去注射器，用彈簧夾夾住導(dǎo)管上的膠皮管，通過長頸漏斗向裝置內(nèi)注水，至封住長頸漏斗下端的管口，使錐形瓶內(nèi)形成一個密封的環(huán)境。當液面上升時，瓶內(nèi)體積不斷減小，氣壓不斷增大，高于大氣壓，停止注水后，由于內(nèi)外存在氣壓差，在長頸漏斗內(nèi)就形成水柱，這也能證明裝置的氣密性良好。

總之，不論裝置的具體情況如何，裝置有多少個管口，在檢驗氣密性時，都必須確保最少一個管口浸入水中(液封)。把其他管口封住(阻止與大氣相通)，使裝置內(nèi)部形成一個密封體系，通過人為加熱或其他操作使密封體系的氣壓發(fā)生改變，使它與外界的大氣形成氣壓差，通過液面變化、有無氣泡、是否形成水柱等現(xiàn)象來確定該裝置的氣密性。

2.利用氣壓的變化進行的實驗

(1)探究空氣成分的實驗

在探究空氣成分的實驗中，紅磷在密閉的集氣瓶中燃燒，消耗集氣瓶中的氧氣，且生成物五氧化二磷為固體，體積可以忽略不計，導(dǎo)致集氣瓶內(nèi)的氣壓下降。當溫度下降到常溫后，打開止水夾，在大氣壓作用下水沿導(dǎo)管進入集氣瓶，從而補充因紅磷燃燒而損失的氧氣體積。當內(nèi)外氣壓平衡后，進入水的體積就等于參加反應(yīng)的氧氣體積。這個實驗不僅準確探究出空氣中氧氣的體積分數(shù)，還能得出氧氣的一些性質(zhì)。當裝置漏氣、紅磷過少時，氣壓就不會降到準確值，從而影響實驗的準確性。

(2)在實驗室制取氫氣的實驗

在實驗室制取氫氣裝置(如圖)與其他裝置相比最大的優(yōu)點在于能隨時控制反應(yīng)(隨用隨制)，其原因在于控制氣壓的變化。稀硫酸從長頸漏斗處注入，酸液沒過塑料板并與上面的鋅反應(yīng)生成氫氣。當關(guān)閉橡皮管處的彈簧夾時，產(chǎn)生的氣體則無法排出，使試管內(nèi)的壓強逐漸變大，高于大氣壓，這樣，就能把酸液壓回長頸漏斗中，當液面降至塑料板以下時，酸液就與鋅粒隔開，使反應(yīng)停止，這樣，內(nèi)外氣壓差與長頸漏斗內(nèi)液柱壓強相等。當打開彈簧夾時裝置內(nèi)氣體快速逸出，使氣壓下降，長頸漏斗內(nèi)酸液重新流入試管內(nèi)，并沒過塑料板與鋅重新反應(yīng)。

(3)探究化學(xué)反應(yīng)過程中伴隨能量發(fā)生的實驗

在“探究化學(xué)反應(yīng)過程中伴隨能量發(fā)生的實驗”中(滬教版P13)，試管內(nèi)裝入三根火柴，輕輕塞上橡皮塞，加熱試管，使火柴燃燒放熱，氣壓變大，橡皮塞彈出。這是利用化學(xué)反應(yīng)放出的熱能，使氣壓升高轉(zhuǎn)換為橡皮塞的動能。在本實驗中氣壓控制尤為重要，如果橡皮塞塞的太松，氣壓變化小，則實驗現(xiàn)象不明顯;如果橡皮塞塞的太緊，氣壓變化過大就可能會造成嚴重實驗事故，導(dǎo)致對實驗人員的傷害。

另外，“噴泉實驗”則利用氣體溶于液體或與液體反應(yīng)，在容器內(nèi)產(chǎn)生負壓，液體在大氣壓作用下，從導(dǎo)管處噴涌而出形成噴泉。還有，把裝有二氧化碳的礦泉水瓶加水密封后振蕩，使二氧化碳溶于水，氣壓下降，瓶子變癟。

以上這些實驗的原理都是利用氣壓的變化。

三、氣壓變化對實驗的不利影響

也有一部份實驗或操作，因為氣壓變化而導(dǎo)致實驗的失敗甚至發(fā)生事故。

1.氣壓對過濾操作的影響

在過濾操作時，濾紙應(yīng)緊貼在漏斗的內(nèi)壁上。其原因在于，當它們之間存在氣泡時，溶液流過氣泡時在氣泡中氣壓的影響下濾液流速會降低。另外，氣泡存在還容易使濾紙破裂，造成實驗失敗。

2.氣壓的變化對某些實驗的影響

(1)在“用高錳酸鉀制取氧氣”的實驗中(滬教版P36-37)，當排水收集滿氧氣后，應(yīng)先把導(dǎo)管移出水面，再熄滅酒精燈。否則，因試管內(nèi)的溫度下降導(dǎo)致試管內(nèi)的氣壓下降，在大氣壓的作用下，水會沿著導(dǎo)管進入試管，當接觸到溫度較高且干燥的試管時，會因溫度驟變而炸裂。先移出導(dǎo)管，使空氣進入試管，補充試管內(nèi)因氣溫下降而減少的氣壓。

(2)在“探究質(zhì)量守恒定律”的實驗過程中(滬教版P96)，當稀鹽酸滴在裝有大理石的小試管中時，會產(chǎn)生大量的二氧化碳氣體，使錐形瓶內(nèi)的氣壓升高，會使橡皮塞飛出，甚至能使錐形瓶炸裂。如果使氣體外逸，就無法稱量出所有的生成物的質(zhì)量總和，天平無法重新平衡，就無法探究出質(zhì)量守恒定律。而該實驗的巧妙在于，在錐形瓶內(nèi)小試管外加入澄清石灰水，用來吸收產(chǎn)生的二氧化碳，使裝置的氣壓保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，整個反應(yīng)處在一個相對密封的環(huán)境內(nèi)，以便研究這個反應(yīng)所有反應(yīng)物與生成物的質(zhì)量關(guān)系，得到參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和的規(guī)律。

(3)在“一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)”這個實驗中(滬教版P119)，應(yīng)當在加入藥品后先通入一氧化碳氣體，排出裝置內(nèi)的空氣后，再加熱氧化鐵。為什么要采用這一措施呢?這個反應(yīng)在玻璃管內(nèi)的有限空間內(nèi)，若不按這個規(guī)定操作或空氣沒有安全排盡就加熱，這時，一氧化碳就會與玻璃管內(nèi)殘留的氧氣發(fā)生急速的燃燒，驟然產(chǎn)生大量的熱，使裝置內(nèi)溫度升高，氣壓變大，當超過玻璃管的承壓能力，就會導(dǎo)致爆炸。當排盡裝置內(nèi)空氣再加熱一氧化碳就無法與氧氣反應(yīng)，只能與氧化鐵反應(yīng)，不會引起溫度驟然變化，使氣壓處于相對平衡狀態(tài)，從而還原出鐵來。另外，在“雙氧水分解制取氧氣的實驗”時(滬教版P37)，打開開關(guān)過氧化氫溶液從長頸分液漏斗處緩緩流下，因為分液漏斗有塞子，液體流下，氣體的體積逐漸變大，壓強逐漸減小，從而導(dǎo)致過氧化氫溶液流速減緩甚至停止，所以有許多人做實驗時索性拔下塞子，也有實驗改進用橡膠管把錐形瓶與分液漏斗上端相連，使兩者的氣壓相等，使液體順暢的流下。

總之，氣體壓強變化在化學(xué)實驗中是不能忽視的。我們不僅要考慮氣壓變化對實驗的影響，還要分析氣壓變化的原因，才能趨利避害，讓氣壓變化更好地服務(wù)于實驗操作，從而把物質(zhì)變化的規(guī)律更好更安全地展示在學(xué)生面前。