◆河南省濮陽縣第一中學(xué) 劉騰飛
高中教材里的許多涉及液體加熱的實(shí)驗(yàn),都有加入碎瓷片防止暴沸的步驟。日常生活中,人們?cè)谥笙★垥r(shí)為了防止粥溢出鍋,會(huì)在鍋內(nèi)放少量的紅薯塊或南瓜塊,可見化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的許多做法都源于日常生活。
然而,教材中并沒有解釋為何碎瓷片能防止液體暴沸。由于不清楚碎瓷片防止液體劇烈沸騰的原因,許多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作中常常忘記這個(gè)步驟,在考試中遇到此知識(shí)點(diǎn)時(shí),往往失分。
碎瓷片為什么能防止液體暴沸?我查找了大量的資料,并未查到令我滿意的答案。在老師的鼓勵(lì)和指導(dǎo)下,我在實(shí)驗(yàn)室對(duì)此進(jìn)行了探究。
依據(jù)液體沸騰的原理、氣泡產(chǎn)生的方式、氣泡運(yùn)動(dòng)的路線、氣泡大小的分布等方面,圍繞碎瓷片防止暴沸的機(jī)理展開多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比研究,探明碎瓷片防止暴沸的原因,以及碎瓷片的大小、形狀與防暴沸效果之間的關(guān)系。
1.液體為什么會(huì)沸騰。
2.氣泡產(chǎn)生的原因,運(yùn)動(dòng)的路線如何確定。
3.碎瓷片防止暴沸的機(jī)理。
4.碎瓷片防止暴沸的效果與其大小、形狀是否有關(guān)。
1.實(shí)驗(yàn)器材
純凈水50 mL、500 mL 蒸餾燒瓶、酒精燈、溫度計(jì)、500 mL 燒杯、鐵架臺(tái)。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
將50 mL 純凈水倒入燒杯加熱,觀察水的溫度變化及暴沸時(shí)的現(xiàn)象并記錄。
3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
在水溫達(dá)到35 ℃時(shí),燒瓶底部開始出現(xiàn)小氣泡,由于容器底部溫度較高,氣泡最先在底部生成,后迅速上升,逐漸增大,在水面漂浮一段時(shí)間后破裂。一般情況下,普通水達(dá)到98 ℃時(shí)就會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象,但本次實(shí)驗(yàn)中,純凈水達(dá)到98 ℃時(shí)未沸騰,溫度反而繼續(xù)上升,在達(dá)到100 ℃以上時(shí)劇烈沸騰,大氣泡從水面中心快速上升到水面后炸裂,大量水蒸氣從蒸餾燒瓶的支管逸出。
表1 水溫變化及燒瓶中的現(xiàn)象
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
普通水一般達(dá)到98 ℃ 沸騰,但純凈水或蒸餾水即使達(dá)到沸點(diǎn)也不會(huì)沸騰,溫度繼續(xù)上升到104 ℃,直至發(fā)生暴沸。
1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
氣泡首先在容器底部產(chǎn)生,剛開始體積較小、數(shù)量較少,隨著溫度的升高,體積增大、數(shù)量增多,然后緩慢上升,從底部一直升騰到液面,在液面鼓起一個(gè)又一個(gè)氣泡,然后破裂,熱氣體分散。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
由于容器底部距離熱源最近,溫度最先升高,因此氣泡最先出現(xiàn)在底部,隨著溫度逐漸升高,氣泡越來越多,越來越大。由于氣泡的密度小于液體的密度,氣泡慢慢上浮,一直上升到液面。
在氣泡上升過程中,氣泡位于液體內(nèi)部,承受來自上部液體產(chǎn)生的壓力,離液面越近,氣泡承受的壓力越小,氣泡逐漸變大。氣泡到達(dá)液面后,氣泡承受的壓力消失,氣泡內(nèi)部的張力沖破表面的液體層,氣泡破裂消失。
1.實(shí)驗(yàn)器材
純凈水、溫度計(jì)、酒精燈、燒瓶、鐵架臺(tái)、碎瓷片。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
分別取50 mL 純凈水倒入A、B 兩個(gè)燒瓶,將兩個(gè)燒瓶分別置于鐵架臺(tái)上,A 瓶中加4 塊碎瓷片(面積約0.5 cm2),B 瓶中不加碎瓷片,其他條件相同且適宜,同時(shí)加熱。觀察在相同時(shí)間內(nèi)水的溫度變化,分析、比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
表2 A 瓶中的水溫變化
表3 B 瓶中的水溫變化
A 瓶中水溫上升速度稍慢,最終仍能達(dá)到沸點(diǎn),并正常沸騰。B 瓶中純凈水達(dá)到與A 瓶相同的溫度時(shí),并未出現(xiàn)明顯的沸騰現(xiàn)象,在溫度持續(xù)升高之后,突然暴沸。A 瓶中氣泡皆從碎瓷片附近上升,有的被壓在碎瓷片下方,無法逸出。
實(shí)驗(yàn)前,我認(rèn)為碎瓷片防止暴沸是由于它將氣泡壓破,導(dǎo)致大氣泡無法形成,不能在水面炸裂,以至無法暴沸,并且碎瓷片還能延緩溫度上升的速度。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能確切地證明,碎瓷片可以延緩溫度上升,所以我判斷,壓破氣泡只是它防止暴沸的表面原因,并非防止暴沸的真正原理。
通過查閱資料,再結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),我認(rèn)為,碎瓷片防止暴沸是因?yàn)槠鋲浩屏藲馀荩⑨尫抛陨須馀?,增加了氣化中心?/p>
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
碎瓷片的棱角將大氣泡“壓碎”成小氣泡,又釋放了自身含有的氣泡,增加了氣化中心,防止液體暴沸。
1.實(shí)驗(yàn)器材
純凈水、溫度計(jì)、酒精燈、燒瓶、鐵架臺(tái)、碎瓷片。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
分別取50 mL 純凈水倒入A、B 兩個(gè)燒瓶中,在A 燒瓶中加入4 塊碎瓷片(每塊面積約為1 cm2),在B 燒瓶中加入4 塊小碎瓷片(每塊面積約為0.5 cm2),其他條件相同且適宜,同時(shí)加熱。記錄兩支溫度計(jì)在相同時(shí)間內(nèi)的數(shù)值。
3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
A 燒瓶中水溫上升較慢,且在相同時(shí)間內(nèi)上升的幅度小,沸騰時(shí)氣泡主要集中在碎瓷片底部。將水溫冷卻至90℃后再次加熱,發(fā)現(xiàn)有大氣泡直接在碎瓷片底部破裂,甚至將碎瓷片頂起。
表4 A 瓶中的水溫變化
表5 B 瓶中的水溫變化
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論
碎瓷片防止暴沸的效果與其大小有關(guān),碎瓷片越大,效果越好。
液體在被加熱時(shí),由于缺少氣化中心而暴沸,如果加入碎瓷片,碎瓷片能將大氣泡切割成小氣泡,增加了氣化中心。同時(shí),碎瓷片在加熱過程中,其自身溫度也在升高,碎瓷片自身相當(dāng)于一個(gè)熱源,會(huì)形成許多微孔,其中眾多微孔在臨界沸騰的液體中也會(huì)形成氣化中心,使液體均勻沸騰,起到防止暴沸的作用。
專家點(diǎn)評(píng)
本項(xiàng)目研究源于作者對(duì)教材原有實(shí)驗(yàn)的延伸,作者善于發(fā)現(xiàn)問題,并試圖通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證自己的假設(shè),嘗試解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)所使用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法可行,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。
建議將實(shí)驗(yàn)器材的型號(hào)標(biāo)記清晰,實(shí)驗(yàn)分析時(shí),若改用線型圖進(jìn)行對(duì)比分析會(huì)更加直觀。此外,實(shí)驗(yàn)解釋還需要有更充分的事實(shí)和理論依據(jù)。
本文中,碎瓷片能防止暴沸的原因,正是作者在結(jié)論中所描述的碎瓷片中有眾多的微孔。