聚焦綜合素養(yǎng) 著眼學(xué)科滲透
——與氣體壓強(qiáng)差有關(guān)的化學(xué)實驗問題探析

朱 雷 姜紹南

（江蘇省揚州市第一中學(xué)，江蘇 揚州）

一、問題的提出

隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的廣泛實施，基礎(chǔ)教育改革越來越重視課程綜合化設(shè)置。淡化學(xué)科界限，強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉，在學(xué)科滲透教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生理科綜合能力、創(chuàng)新能力和提高學(xué)生綜合素養(yǎng)已成趨勢。近年來，化學(xué)中滲透物理學(xué)思維的試題屢見不鮮，其中有關(guān)氣體壓強(qiáng)的問題更加普遍?？v觀歷屆中考試題，總結(jié)以下幾種類型，借以提高學(xué)生解決問題的應(yīng)變能力和學(xué)科綜合素養(yǎng)。

二、類型及解析

1.氣密性檢查型

在進(jìn)行氣體的相關(guān)實驗時，都要對裝置進(jìn)行氣密性檢查。試題中也經(jīng)常會讓學(xué)生描述如何檢查氣密性的操作及相關(guān)現(xiàn)象，學(xué)生往往因缺乏理解而解答不到位甚至詞不達(dá)意。針對此現(xiàn)象，可以嘗試讓學(xué)生從最簡單的裝置入手，給他們實際操作的機(jī)會，在充分的感性認(rèn)識基礎(chǔ)上加以理解。

圖1

圖2

圖3

例如，圖1裝置氣密性檢查的操作常稱之為“手焐法”：將導(dǎo)管的一端放入水中，手掌緊貼試管外壁，若導(dǎo)管的一端有氣泡冒出，則說明氣密性良好。操作過程學(xué)生早已熟記于心，然而，學(xué)生是真正地理解了，還只是停留在死記硬背的層面？有道是“紙上來得終覺淺，絕知此事要躬行”，不妨先讓他們親自動手，然后再提出問題：①為什么要先將導(dǎo)管放入水中？②手焐的目的是什么？經(jīng)過一番思考、討論，學(xué)生得出將導(dǎo)管置于水中的目的是將氣體密封，“手焐”則是使氣體升溫而產(chǎn)生壓強(qiáng)變化，通過壓強(qiáng)變化而產(chǎn)生的現(xiàn)象可對裝置氣密性情況作出判斷。

若是如圖2，帶有長頸漏斗的氣體發(fā)生裝置，該怎樣檢查氣密性？理論上也可以先關(guān)閉導(dǎo)管口的活塞，將裝置“倒立”，漏斗口置于水中采取“手焐法”來檢查，但存在由于漏斗口大而現(xiàn)象不明顯且操作不便的不足而被舍棄。此時，可以激發(fā)學(xué)生思考有沒有其他方式使氣體密封？在圖1裝置的啟發(fā)下，學(xué)生提出可以往裝置中注水，直至漏斗下端形成“液封”，然后關(guān)閉閥門，此時氣體處于密封狀態(tài)。繼續(xù)向長頸漏斗中注水，如果氣密性良好，則由于裝置內(nèi)外存在穩(wěn)定的壓強(qiáng)差，漏斗內(nèi)液面不會下降，這種檢查方法稱為“注水法”。當(dāng)然，也可以在導(dǎo)管口連接注射器，通過推拉注射器活塞來改變壓強(qiáng)，觀察漏斗直管內(nèi)液柱升降變化來判斷。圖3裝置與圖2類似，具體步驟：關(guān)閉止水夾，向分液漏斗中加水，打開分液漏斗活塞讓液體滴下，片刻后，若觀察到液體下滴的速度逐漸變慢，直到無法滴下，說明氣密性良好，稱之為“滴液法”。

經(jīng)過以上實驗和交流討論，學(xué)生就不難理解氣密性檢查的原理，有效提升了解決實際問題的能力。

典型試題1．下列裝置中，若不添加其他儀器，也不改變裝置結(jié)構(gòu)，就不能檢查出裝置是否漏氣的是：（AD）

判斷理由：A中由于分液漏斗上方與燒瓶間有一橡皮管相連，使燒瓶中氣體壓強(qiáng)與分液漏斗上方氣體壓強(qiáng)始終相等，雖然氣體處于密封狀態(tài)，但無法改變氣體的壓強(qiáng)，故不添加儀器無法檢查氣密性；D中由于兩只洗氣瓶內(nèi)氣體都無法處于密封狀態(tài)，故也不可檢查氣密性。

典型試題2．在下列各圖所示的實驗裝置氣密性檢查中，根據(jù)現(xiàn)象判斷出漏氣的是：（D）

判斷理由：D中右側(cè)氣體雖然看似處于密封狀態(tài)，但根據(jù)液面始終保持水平說明上下移動過程中氣體壓強(qiáng)保持恒定，因而可判斷該裝置漏氣。

2．定性實驗型

化學(xué)實驗中有些現(xiàn)象，可以通過氣體壓強(qiáng)的變化得以放大，以便我們更直觀地了解物質(zhì)的性質(zhì)。譬如：在圖4和圖5裝置中，都連接了氣球，如果使氣球膨脹，那么該使用什么樣的藥品組合？面對此問題，學(xué)生容易混淆。此時，可設(shè)計分組探究引導(dǎo)學(xué)生思考兩種情況下的“膨脹”原因是否相同？

【探究問題1】根據(jù)如圖4裝置，思考讓氣球膨脹的藥品組合

【結(jié)果展示】

第一組固體 大理石 二氧化錳 Zn粉液體 稀HCl H2O2溶液 稀H2SO4第二組固體 二氧化錳 小蘇打 Fe粉液體 H2O2溶液 稀HCl 稀HCl第三組固體 石灰石 Zn粉 碳銨液體 稀HCl 稀H2SO4 稀HCl

圖4

【歸納總結(jié)】：該裝置中氣球連接在容器外部，若要使其膨脹，則必須要求容器中氣壓增大，藥品的類型可以是能反應(yīng)生成氣體的組合，如：a.活潑金屬與酸反應(yīng)生成氫氣；b.二氧化錳催化雙氧水生成氧氣；c.碳酸鹽與強(qiáng)酸反應(yīng)生成二氧化碳。

【探究問題2】根據(jù)如圖5裝置，思考讓氣球膨脹的四種方案

【結(jié)果展示】

第一組氣體 CO2 HCl SO2 NH3液體 Ca H2O NaOH H2O第二組氣體 HCl NH3 CO2 HCl液體 NaOH H2SO4 NaOH H2O第三組氣體 NH3 SO2 NH3 CO2液體 H2SO4 NaOH H2O NaOH

圖5

【歸納總結(jié)】與問題1不同，該裝置中氣球連接在容器內(nèi)部，若要使其膨脹，則必須要求容器中氣壓減小，藥品的類型可以是氣體被液體吸收的組合，如：a.酸性氣體被堿溶液吸收；b.堿性氣體被酸溶液吸收；c.溶解度大的氣體被水吸收。

在此基礎(chǔ)之上，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究溫度對氣體壓強(qiáng)的影響，設(shè)計如下探究問題：

【探究問題3】根據(jù)如圖6裝置，思考讓U型管液面發(fā)生變化的物質(zhì)

【結(jié)果展示】

U型管液面變化 試管水中加入的物質(zhì)左低右高 生石灰、NaOH固體、濃H2SO4左高右低 硝酸銨固體

圖6

【歸納總結(jié)】溫度升高→壓強(qiáng)增大；溫度降低→壓強(qiáng)減小

通過探究，總結(jié)出氣體壓強(qiáng)增大既可以是生成氣體也可以是放出熱量，反之氣體壓強(qiáng)減小既可以是消耗氣體也可以是吸收熱量。在探究教學(xué)中不僅提高了學(xué)生考慮問題的綜合素養(yǎng)，更有利于學(xué)生把握實質(zhì)，增強(qiáng)對復(fù)雜問題的應(yīng)變能力。

典型試題3．利用圖7裝置可以證明NaOH溶液與CO2發(fā)生反應(yīng)，操作過程中氣球的變化情況是先膨脹，后收縮。

寫出導(dǎo)致氣球變化的化學(xué)方程式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑。

圖7

解析：利用NaOH吸收了瓶中的二氧化碳?xì)怏w，使裝置內(nèi)氣壓減小，大氣壓把氣球壓大，再滴加稀鹽酸時，生成的碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)，使瓶內(nèi)壓強(qiáng)恢復(fù)，氣球恢復(fù)原狀。

3.定量測定型

化學(xué)中一些定量測定也利用到氣體壓強(qiáng)變化，如空氣中氧氣含量的測定，氣體體積測定等。氣體體積測定通常采用排液量氣法，利用氣體的壓強(qiáng)將液體壓入計量儀器中，裝置一般由洗氣瓶和量筒組合而成，如圖9。也可利用量氣管裝置，如圖10。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，讀數(shù)時需讓氣體與外界大氣壓保持一致，如果反應(yīng)中放熱或吸熱的話，應(yīng)當(dāng)待恢復(fù)室溫才能讀數(shù)，如圖8燃燒紅磷測定空氣中氧氣含量的實驗，需將氣體冷卻至室溫才能讀數(shù)。若用量氣管測定氣體體積時，讀數(shù)時還應(yīng)將左右兩側(cè)液面高度調(diào)至相平。

圖8

圖9

圖10

圖11

當(dāng)然，對易溶于水的氣體，不能直接用排水法收集時，可以在水面上加一些有機(jī)溶劑，使氣體不與水接觸，比如測定氨氣的體積，由于氨氣不易溶于汽油，接觸不到水，通入的氨氣將水從右管排出，可以測其體積，如圖11。

典型試題4．測定某石灰石樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其方法是：將樣品與稀鹽酸反應(yīng)，測定反應(yīng)后生成CO2的體積，再根據(jù)體積換算為質(zhì)量，最后根據(jù)CO2的質(zhì)量求出樣品中碳酸鈣的質(zhì)量。圖12（Ⅰ）為大理石與稀鹽酸反應(yīng)的反應(yīng)裝置，（Ⅱ）用于測量CO2的體積。

圖12

（1）寫出圖（I）中儀器的名稱：①長頸漏斗，②鐵架臺，③試管；

（2）檢查圖（I）裝置氣密性的方法是：向長頸漏斗內(nèi)加水，至形成液封，在乳膠管上夾彈簧夾再加適量水，靜置一段時間后，若長頸漏斗液面與試管內(nèi)液面差保持不變，說明氣密性良好。

檢查圖（Ⅱ）裝置氣密性的方法是：在乳膠管上夾上彈簧夾，向量氣管加適量水，提高量氣管，一段時間后，若量氣管內(nèi)液面不下降，說明氣密性良好；

（3）圖（Ⅱ）裝置中油層的作用是防止CO2溶于水。

（4）向下移動量氣管，使反應(yīng)后兩邊液面相平（填操作方法）可使反應(yīng)后油層上方氣體壓強(qiáng)和外界大氣壓相同，此時排出水的體積即為生成二氧化碳的體積。

解析：本題實驗裝置實際上是圖2和圖10的組合，在檢查氣密性時要注意將兩裝置連接處的乳膠管夾緊，使左側(cè)裝置處于密封狀態(tài)。而最后讀數(shù)時由于量氣管內(nèi)液面高與左側(cè)儲氣管，所以讓左右液面相平的辦法是向下移動量氣管。

總之，利用氣體壓強(qiáng)差進(jìn)行的化學(xué)實驗還有很多，在教學(xué)中教師要善于發(fā)現(xiàn)和及時總結(jié)，只有在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究的基礎(chǔ)之上幫助學(xué)生弄清本質(zhì)，才能切實有效地提高學(xué)生解決問題的應(yīng)變能力和綜合學(xué)科素養(yǎng)。