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        巧借壓強變化探究活性炭的吸附性

        2022-03-17 23:18:28樊麗靜劉強
        化學教與學 2022年6期
        關(guān)鍵詞:吸附性數(shù)字化實驗活性炭

        樊麗靜 劉強

        摘要:從定性實驗和定量實驗(DIS實驗)兩個方面進行了活性炭的吸附性實驗探究。提供活性炭吸附不同氣體的相關(guān)實驗數(shù)據(jù),啟發(fā)學生比較相關(guān)因素、分析吸附規(guī)律,培養(yǎng)學生綜合分析的能力。

        關(guān)鍵詞:活性炭;吸附性;氣體壓強;數(shù)字化實驗

        文章編號:1008-0546(2022)03x-0085-02??? 中圖分類號:G632.41??? 文獻標識碼:B

        doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.0022

        生活中,我們常常接觸到這樣一種炭,它應用于凈水器濾芯、防毒面具及冰箱除味等,那就是活性炭。在“水的凈化”教學中,學生已經(jīng)知道活性炭可用作凈水器中的吸附劑。那么,活性炭為什么具有吸附性呢?通過教師的恰當?shù)囊龑?,學生答到:“這是由其結(jié)構(gòu)決定的,因為結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)?!贝_實如此嗎?將活性炭在顯微鏡下放大(如圖1所示),觀察其表面具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)決定其表面積大、表面活性強,因此具有良好的吸附性,其可用于吸附氣體或溶液中的色素,應用于生活中可作吸附劑[1]。如何通過實驗的方法驗證活性炭的吸附性呢?筆者借用氣體壓強變化的原理來探究活性炭的吸附性,取得了不錯的教學效果。

        實驗(一)定性研究:倒吸現(xiàn)象驗證氣壓變化(如圖2)。

        在學習測定空氣中氧氣體積分數(shù)的實驗中學生已經(jīng)知道,紅磷燃燒消耗了氧氣,氣體減少后使得密閉裝置內(nèi)氣體壓強變小,最終導致水倒吸入瓶中。同學們能從該實驗中得到什么啟發(fā)呢?活性炭吸附氣體的實驗能否仿照同樣的原理設(shè)計?教學中筆者設(shè)計了如下實驗,錐形瓶內(nèi)預先收集黃綠色的有毒氣體(氯氣),燒杯中盛有紅色液體,將活性炭加入到錐形瓶中,迅速塞緊橡皮塞,觀察現(xiàn)象。可觀察到燒杯中紅色液體倒吸入中間的瓶中。一段時間后,液體停止倒吸,錐形瓶中的黃綠色消失,幾乎呈無色。發(fā)生這樣的實驗現(xiàn)象原因是什么?這是由于活性炭吸附了氯氣,導致錐形瓶內(nèi)氣體減少,氣體壓強變小,大氣壓將燒杯中的紅色液體壓入中間的瓶中。通過液體倒吸,學生可以感受到活性炭的吸附性是真實存在的,且利用該實驗,還可以進一步對比木炭與活性炭的吸附能力強弱。

        實驗(二)定量研究:數(shù)字化實驗監(jiān)測氣壓變化(如圖3、圖4)。

        活性炭在密閉裝置內(nèi)吸附氣體后引發(fā)的氣體壓強變化,可以借助壓強傳感器通過數(shù)據(jù)和圖像直觀、實時監(jiān)測實驗過程中錐形瓶內(nèi)的氣壓變化。實驗過程如下:

        將盛有氯氣的錐形瓶依次連接壓強傳感器——數(shù)據(jù)采集器——DIS軟件(電腦)[2]。準備就緒后,開始實驗:向錐形瓶內(nèi)倒入一定量的活性炭,迅速塞緊橡皮塞,觀察氣體壓強的變化情況。我們觀察到壓強數(shù)值逐漸變小,由最開始的100.7 kPa最終變?yōu)?3.5 kPa左右,之后基本不再變化(圖4)。利用DIS實驗觀察錐形瓶內(nèi)氣壓變化的圖像能夠給學生較為直觀的感受,最開始有一個陡降的過程,隨后曲線變化趨于平緩,最后幾乎保持不變。與此同時,還可以觀察到錐形瓶內(nèi)黃綠色氣體消失,幾乎呈無色。

        為了進一步研究活性炭的吸附性,筆者請同學們查閱了相關(guān)資料,下表1列出了同溫同壓下,1 cm3活性炭所能吸附的常見氣體的體積。

        通過表中數(shù)據(jù)分析,不難發(fā)現(xiàn):相對分子質(zhì)量較大、沸點較高的物質(zhì)的氣體,較容易被活性炭吸附。像氯氣、二氧化氮這樣的物質(zhì)相對分子質(zhì)量較大,相應的它們的沸點也較高。相同條件下,活性炭吸附這些有毒氣體的體積遠大于氧氣。因此,這也解釋了防毒面具或活性炭口罩在吸附某些有毒氣體時,對人體吸入氧氣影響不大。我們也要注意,活性炭的吸附能力是有限的,吸附到一定程度后就會失去吸附能力,必須經(jīng)過活化處理后才能重新使用。

        通過上述兩個實驗,將活性炭的吸附性與氣體壓強變化聯(lián)系在一起,運用定性與定量相結(jié)合的手段探究活性炭的吸附性,學生可以直觀、全面認識活性炭的吸附性。

        參考文獻

        [1]人民教育出版社,課程教材研究所,化學課程教材研究開發(fā)中心編著.義務教育教科書(化學九年級上冊)[M].北京:人民教育出版社,2012.

        [2]韋存容,馬宏佳.數(shù)字化實驗研究竹炭、活性炭對甲醛等氣體的吸附能力[J].化學教與學,2015(12):95-98.

        1978501705217

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