氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂原因的探究實(shí)驗(yàn)

王燕 凌一洲

江蘇省教育科學(xué)十四五規(guī)劃課題“高中化學(xué)循證教學(xué)實(shí)踐研究”（編號(hào)：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(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)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(jì)算它們的真密度。結(jié)果表明，氧化鈣吸水變成氫氧化鈣后，真密度從3.45g/cm3變?yōu)?.33g/cm3，質(zhì)量是原來的1.32倍，相當(dāng)于真體積膨脹至原體積的1.95倍。實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)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(guān)鍵詞： 氧化鈣； 氫氧化鈣； 真密度； 視密度； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2024）04008004

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

人教版九年級(jí)《化學(xué)》教材上冊有一道習(xí)題：“有位化學(xué)教師取用生石灰時(shí)，發(fā)現(xiàn)裝滿生石灰的塑料試劑瓶已經(jīng)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(fā)生反應(yīng)而放熱膨脹，導(dǎo)致塑料試劑瓶膨脹破裂?！钡?，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(jìn)入，但瓶內(nèi)氣體遇熱膨脹后便也能夠飄散到瓶外，不至于使試劑瓶內(nèi)部壓強(qiáng)過大；如果試劑瓶密封，瓶內(nèi)的水蒸氣含量非常少，不足以反應(yīng)后產(chǎn)生大量的熱，增大氣體壓強(qiáng)使試劑瓶撐破。因此，本文設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，帶學(xué)生探究氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的真正原因。

1? 實(shí)驗(yàn)原理

1.1? 氧化鈣與水反應(yīng)的歷程

氧化鈣與水蒸氣生成氫氧化鈣的反應(yīng)，方程式為CaO（s）+H2O（g）Ca（OH）2（s），反應(yīng)過程可以分為3個(gè)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(yīng)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(nèi)核的氧化鈣直接反應(yīng)，而是先溶解“外層Ca（OH）2”形成過飽和溶液，然后通過滲透、擴(kuò)散不斷與內(nèi)層氧化鈣反應(yīng)形成“內(nèi)層Ca（OH）2”，此時(shí)外層的過飽和溶液會(huì)重結(jié)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(huì)受內(nèi)部應(yīng)力和外部擾動(dòng)，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(jié)構(gòu)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(shí)的狀態(tài)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(shí)的密度，即包括顆粒間空隙的密度［4］。兩者的計(jì)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(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}時(shí)，密度變化源自于兩個(gè)方面：（1）物質(zhì)轉(zhuǎn)變自身；（2）介觀結(jié)構(gòu)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(jù)；而對于后者，介觀孔隙結(jié)構(gòu)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(jù)［5］。

基于上述討論可總結(jié)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(jìn)一步膨脹。

2? 解釋真密度減小的實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)旨在測量和比較CaO、 Ca（OH）2固體粉末的真密度差異。學(xué)生已經(jīng)在物理課上學(xué)習(xí)了多種測量固體密度的方法，基本計(jì)算公式為：密度ρ=質(zhì)量m/體積V，質(zhì)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(xué)生而言是一個(gè)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(huì)與水發(fā)生劇烈反應(yīng)。因此，學(xué)生想到可以用一種不與CaO反應(yīng)的液體——無水乙醇來浸沒固體粉末。

2.1? 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)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(zhǔn)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(nèi)壁的粉末刮落，讀出此時(shí)量筒示數(shù)V2；

（3） 計(jì)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(zhì)量的Ca（OH）2粉末，重復(fù)上述步驟，測算得到V氫氧化鈣和ρ氫氧化鈣。

（5） 實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果如表1所示。ρ氧化鈣為3.45g/cm3，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比偏大3.9%；ρ氫氧化鈣為2.33g/cm3，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比偏大4.0%。結(jié)果顯示ρ氫氧化鈣是ρ氧化鈣的0.68倍，即等質(zhì)量的氫氧化鈣體積是氧化鈣的1.48倍。在反應(yīng)過程中，氫氧化鈣質(zhì)量還會(huì)比原先的氧化鈣增大74/56=1.32倍（因?yàn)榻Y(jié)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(diǎn)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(jì)。

（2） 浸液的選取需要滿足三個(gè)條件：①不與粉體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；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(tài)烷、液態(tài)酯等。

（3） 對于真密度的變化，從晶體結(jié)構(gòu)層面來看（見圖2），CaO屬NaCl型結(jié)構(gòu)，Ca2+與O2-作面心立方堆積，二者以離子鍵相結(jié)合；而在Ca（OH）2中，OH-與Ca2+形成層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)通過離子鍵相結(jié)合，而層間主要通過氫鍵相結(jié)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(shí)驗(yàn)

實(shí)際上，試劑瓶中的氫氧化鈣密度比理想的真密度更小，因?yàn)轭w粒之間存在空隙，用視密度來計(jì)算更為合適。本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生直觀感受到兩種密度的差異，認(rèn)識(shí)到視密度更適合試劑瓶中的實(shí)際情況。

3.1? 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)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(dòng)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(tài)水滴下），靜置3天。此時(shí)可以看到，隨著氧化鈣與水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化鈣，部分粉末發(fā)生了結(jié)塊成團(tuán)（見圖3）。

（4） 把反應(yīng)后的粉末放回量筒，發(fā)現(xiàn)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(shí)際情況應(yīng)采用視密度。這是因?yàn)闅溲趸}的介觀形貌發(fā)生了變化，形成鱗片狀孔隙結(jié)構(gòu)（已有研究的SEM圖像見圖4），使得材料體積在原有基礎(chǔ)上進(jìn)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(lán)，證明粉末久置后轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}。

3.3? 幾點(diǎn)說明

（1） 在把粉末加入量筒時(shí)，如有粉末粘在量筒內(nèi)壁，可用藥匙將其刮落。實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)固體粉末出現(xiàn)大幅塌陷。然后引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)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(xiàn)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(jìn)入瓶內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。

（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(hù)”，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(qiáng)光手電照射，觀察瓶內(nèi)粉末的高度，如果接近瓶口應(yīng)及時(shí)處理。

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

5? 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)起源于“氧化鈣試劑瓶膨脹破裂”的現(xiàn)象，在探究過程中，一方面讓學(xué)生從宏觀層面認(rèn)識(shí)到氧化鈣到氫氧化鈣真密度的降低，以及視密度的進(jìn)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(xué)生理解氧化鈣與水反應(yīng)的三個(gè)階段，加深對反應(yīng)歷程的認(rèn)識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)無論作為演示實(shí)驗(yàn)還是課后拓展實(shí)驗(yàn)，都建議教師帶領(lǐng)學(xué)生從理論探討中形成假設(shè)——由微觀層面的CaO和Ca（OH）2的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合、實(shí)驗(yàn)探究的素養(yǎng)。

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