文章編號(hào):1008-0546(2010)04-0071-02中圖分類(lèi)號(hào):G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

doi:10319/j.issn.1008-0546.2010.04.027

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)手段被揭示的。初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)多是與氣體有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，氣壓的變化會(huì)對(duì)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行與結(jié)果產(chǎn)生十分明顯的影響。許多實(shí)驗(yàn)的原理是利用氣壓的變化，如果氣壓控制不當(dāng)，常常會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗，甚至發(fā)生事故。

一、氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的有利影響

1.利用氣壓的變化對(duì)裝置氣密性的檢查

氣密性的檢查是實(shí)驗(yàn)前必須的一項(xiàng)基本操作，尤其是有關(guān)氣體的實(shí)驗(yàn)，為確保實(shí)驗(yàn)的成功，在加入藥品前必須進(jìn)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(gè)密封的環(huán)境(液封)，通過(guò)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(guò)觀察液面的變化(有無(wú)氣泡或?qū)Ч苤杏袩o(wú)水柱的形成及水柱高度的變化)來(lái)判斷裝置的氣密性。

例如:用注射器檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的發(fā)生裝置的氣密性(如圖)。先從長(zhǎng)頸漏斗口處注水，當(dāng)水面超過(guò)長(zhǎng)頸漏斗的下端，這時(shí)不論是推還是拉注射器的活塞，都能檢驗(yàn)裝置的氣密性。

分析:當(dāng)液面封住長(zhǎng)頸漏斗的下端，另一出口與注射器連接，這時(shí)錐形瓶與注射器形成一個(gè)密封的環(huán)境。當(dāng)推動(dòng)注射器的活塞時(shí)，裝置內(nèi)的體積變小，氣壓增大，在長(zhǎng)頸漏斗的下端就能形成一段水柱。若水柱能較長(zhǎng)時(shí)間保持，則證明此裝置的氣密性良好。相反，當(dāng)注射器的活塞向外抽動(dòng)時(shí)，密封的空間增大，氣壓減小，外界空氣就會(huì)沿著長(zhǎng)頸漏斗進(jìn)入密封的空間內(nèi)，就會(huì)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(yàn)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(guò)長(zhǎng)頸漏斗向裝置內(nèi)注水，至封住長(zhǎng)頸漏斗下端的管口，使錐形瓶?jī)?nèi)形成一個(gè)密封的環(huán)境。當(dāng)液面上升時(shí)，瓶?jī)?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(zhǎng)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(gè)管口，在檢驗(yàn)氣密性時(shí)，都必須確保最少一個(gè)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(gè)密封體系，通過(guò)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(guò)液面變化、有無(wú)氣泡、是否形成水柱等現(xiàn)象來(lái)確定該裝置的氣密性。

2.利用氣壓的變化進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

(1)探究空氣成分的實(shí)驗(yàn)

在探究空氣成分的實(shí)驗(yàn)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(jì)，導(dǎo)致集氣瓶?jī)?nèi)的氣壓下降。當(dāng)溫度下降到常溫后，打開(kāi)止水夾，在大氣壓作用下水沿導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶，從而補(bǔ)充因紅磷燃燒而損失的氧氣體積。當(dāng)內(nèi)外氣壓平衡后，進(jìn)入水的體積就等于參加反應(yīng)的氧氣體積。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅準(zhǔn)確探究出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，還能得出氧氣的一些性質(zhì)。當(dāng)裝置漏氣、紅磷過(guò)少時(shí)，氣壓就不會(huì)降到準(zhǔn)確值，從而影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(2)在實(shí)驗(yàn)室制取氫氣的實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室制取氫氣裝置(如圖)與其他裝置相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于能隨時(shí)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(zhǎng)頸漏斗處注入，酸液沒(méi)過(guò)塑料板并與上面的鋅反應(yīng)生成氫氣。當(dāng)關(guān)閉橡皮管處的彈簧夾時(shí)，產(chǎn)生的氣體則無(wú)法排出，使試管內(nèi)的壓強(qiáng)逐漸變大，高于大氣壓，這樣，就能把酸液壓回長(zhǎng)頸漏斗中，當(dāng)液面降至塑料板以下時(shí)，酸液就與鋅粒隔開(kāi)，使反應(yīng)停止，這樣，內(nèi)外氣壓差與長(zhǎng)頸漏斗內(nèi)液柱壓強(qiáng)相等。當(dāng)打開(kāi)彈簧夾時(shí)裝置內(nèi)氣體快速逸出，使氣壓下降，長(zhǎng)頸漏斗內(nèi)酸液重新流入試管內(nèi)，并沒(méi)過(guò)塑料板與鋅重新反應(yīng)。

(3)探究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中伴隨能量發(fā)生的實(shí)驗(yàn)

在“探究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中伴隨能量發(fā)生的實(shí)驗(yàn)”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(dòng)能。在本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯;如果橡皮塞塞的太緊，氣壓變化過(guò)大就可能會(huì)造成嚴(yán)重實(shí)驗(yàn)事故，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的傷害。

另外，“噴泉實(shí)驗(yàn)”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(fù)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(shí)驗(yàn)的原理都是利用氣壓的變化。

三、氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的不利影響

也有一部份實(shí)驗(yàn)或操作，因?yàn)闅鈮鹤兓鴮?dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗甚至發(fā)生事故。

1.氣壓對(duì)過(guò)濾操作的影響

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

2.氣壓的變化對(duì)某些實(shí)驗(yàn)的影響

(1)在“用高錳酸鉀制取氧氣”的實(shí)驗(yàn)中(滬教版P36-37)，當(dāng)排水收集滿(mǎn)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(huì)沿著導(dǎo)管進(jìn)入試管，當(dāng)接觸到溫度較高且干燥的試管時(shí)，會(huì)因溫度驟變而炸裂。先移出導(dǎo)管，使空氣進(jìn)入試管，補(bǔ)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中(滬教版P96)，當(dāng)稀鹽酸滴在裝有大理石的小試管中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，使錐形瓶?jī)?nèi)的氣壓升高，會(huì)使橡皮塞飛出，甚至能使錐形瓶炸裂。如果使氣體外逸，就無(wú)法稱(chēng)量出所有的生成物的質(zhì)量總和，天平無(wú)法重新平衡，就無(wú)法探究出質(zhì)量守恒定律。而該實(shí)驗(yàn)的巧妙在于，在錐形瓶?jī)?nèi)小試管外加入澄清石灰水，用來(lái)吸收產(chǎn)生的二氧化碳，使裝置的氣壓保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，整個(gè)反應(yīng)處在一個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境內(nèi)，以便研究這個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中(滬教版P119)，應(yīng)當(dāng)在加入藥品后先通入一氧化碳?xì)怏w，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(gè)反應(yīng)在玻璃管內(nèi)的有限空間內(nèi)，若不按這個(gè)規(guī)定操作或空氣沒(méi)有安全排盡就加熱，這時(shí)，一氧化碳就會(huì)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(dāng)超過(guò)玻璃管的承壓能力，就會(huì)導(dǎo)致爆炸。當(dāng)排盡裝置內(nèi)空氣再加熱一氧化碳就無(wú)法與氧氣反應(yīng)，只能與氧化鐵反應(yīng)，不會(huì)引起溫度驟然變化，使氣壓處于相對(duì)平衡狀態(tài)，從而還原出鐵來(lái)。另外，在“雙氧水分解制取氧氣的實(shí)驗(yàn)”時(shí)(滬教版P37)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)過(guò)氧化氫溶液從長(zhǎng)頸分液漏斗處緩緩流下，因?yàn)榉忠郝┒酚腥?，液體流下，氣體的體積逐漸變大，壓強(qiáng)逐漸減小，從而導(dǎo)致過(guò)氧化氫溶液流速減緩甚至停止，所以有許多人做實(shí)驗(yàn)時(shí)索性拔下塞子，也有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)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(qiáng)變化在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中是不能忽視的。我們不僅要考慮氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。