科學(xué)就在身邊
——校園“鐘乳石奇觀”形成探究

◆重慶市巴川中學(xué)校 劉 松 袁由均

一、問題緣起

一天晚上查寢時，我們發(fā)現(xiàn)了一個有意思的現(xiàn)象。在男生寢室門口經(jīng)常被水滴沖擊的水泥臺階處出現(xiàn)了隆起，而且還有變大的趨勢。俗話說“水滴石穿”，而這里的石頭不僅沒有被滴穿，反而變大了，這是為什么？

為一探究竟，第二天我們再次來到現(xiàn)場進行了勘察。

二、探究過程

由于調(diào)查前一天下過雨，樓上平臺處仍有積水不停滴落，在水滴落的地方形成了一個凸起。用手觸摸，發(fā)現(xiàn)凸起質(zhì)地較硬，表面清晰可見很多小坑。

為了證明這并非個別現(xiàn)象，我們又觀察了平臺其他漏水處的下方，也發(fā)現(xiàn)了同樣的 “小山”。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，我們確定，水滴源于自然降水，而不是空調(diào)水等其他水。各處的凸起大小不同，可能與水滴大小、滴落的時長有很大的關(guān)系。

除了在水泥地面，我們在瓷磚鋪設(shè)的地面上也發(fā)現(xiàn)了凸起。這說明“小山”的形成與地面的材質(zhì)沒有多大關(guān)系，而是與滴落的水有關(guān)系。

然而，每逢下雨，學(xué)校足球場主席臺后側(cè)的雨棚水滴的下落流速和流量都非常大，為什么沒有形成類似的“小山”？

對 此，我 們大膽猜測，凸起的形成與自然界中鐘乳石的形成原因類似，在平臺漏水處應(yīng)有自上而下生長的“鐘乳石”。實地觀察后，結(jié)果證實果然如此。為什么會這樣？

圖1 雨滴沖擊形成的凸起

三、現(xiàn)象原理

（一）水滴石穿

水從高處滴落的過程中不斷加速，產(chǎn)生的沖擊力不斷磨損石頭，如同用錘子不停地錘打鐵板一樣。這一過程只是石頭的形狀發(fā)生了變化，沒有新的物質(zhì)生成，所以是一種物理變化。

由于石頭的種類不同，那些含有碳酸鈣的石頭（如石灰石），它們發(fā)生水滴石穿的現(xiàn)象還有另一種原因：空氣中的二氧化碳溶于水后會生成碳酸，所以水滴實際上是具有弱酸性的碳酸溶液，當水滴落在石灰石、大理石這一類石塊上時，其中的碳酸就會與石塊中的主要成分（碳酸鈣）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成能溶于水的碳酸氫鈣，使石塊局部緩慢溶解并流失。

（二）鐘乳石的形成

溶洞中鐘乳石的一系列變化來源于其主要成分——碳酸鈣的一系列變化。當碳酸鈣遇到溶有二氧化碳的水時就會變成可溶性的碳酸氫鈣，其化學(xué)反應(yīng)式為：CaCO3+CO2+H2O==Ca（HCO3）2。溶有碳酸氫鈣的水如果受熱或遇到壓強突然變小的情況時，水中的碳酸氫鈣就會分解，重新變成碳酸鈣沉積下來，并放出二氧化碳，其化學(xué)反應(yīng)式 為：Ca（HCO3）2==CaCO3↓+CO2↑+H2O 。碳酸鈣不斷在兩種反應(yīng)中分解又析出，就形成了溶洞中各種各樣的鐘乳石。

我們發(fā)現(xiàn)，所有漏水處都有一個共同特征，即都存在用白灰補漏的痕跡。例如，“小山”形成最明顯處的正上方（如圖2），白灰的用量非常多。用白灰抹墻的主要原理是，白灰加水生成的熟石灰（氫氧化鈣）與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，使墻面變硬。

圖2 經(jīng)過白灰修補過的平臺一角

具有弱酸性的雨水長時間與墻面接觸，其中的碳酸就會與墻面的主要成分（碳酸鈣）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成能溶于水的碳酸氫鈣，使含有碳酸鈣的墻面局部緩慢溶解并流失。當溶有碳酸氫鈣的水從平臺滴落在地面上時，由于水分蒸發(fā)或壓強減小以及溫度的降低，二氧化碳的溶解度會減小，從而析出碳酸鈣的沉淀。這些沉淀經(jīng)過長年累積，漸漸形成了類似鐘乳石的凸起，于是就有了我們看到的現(xiàn)象。

四、教學(xué)啟示

好奇、追問是一種獨特的品質(zhì)，別人眼中的習(xí)以為常，在有的人看來可能就“暗藏玄機”。作為教師，我們要爭做激發(fā)學(xué)生好奇心的那個人。我們講授書本上的相關(guān)知識時，如果能讓學(xué)生少一些機械記憶，多一些實踐探究，那么學(xué)習(xí)會更有樂趣。