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(duì)氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的原因開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)一在量筒中加入無(wú)水乙醇分別浸沒(méi)氧化鈣和氫氧化鈣兩種固體粉末，可測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)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(shū)提供的參考答案是：“生石灰在保存過(guò)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(wú)論試劑瓶密封或不密封的情況，參考用書(shū)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?jī)?nèi)氣體遇熱膨脹后便也能夠飄散到瓶外，不至于使試劑瓶?jī)?nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大；如果試劑瓶密封，瓶?jī)?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(guò)程可以分為3個(gè)階段（見(jiàn)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(guò)飽和溶液，然后通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)于前者，為排除材料孔隙對(duì)密度變化的影響，將采用真密度作為比較依據(jù)；而對(duì)于后者，介觀孔隙結(jié)構(gòu)在密度變化過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)量CaO、 Ca（OH）2固體粉末的體積V對(duì)學(xué)生而言是一個(gè)新的問(wèn)題。測(cè)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(wú)水乙醇來(lái)浸沒(méi)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(wú)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(wú)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(guò)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(cè)算得到V氫氧化鈣和ρ氫氧化鈣。

（5） 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)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(shuō)明

（1） 分析純的無(wú)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(rùn)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(wú)水乙醇外，還可以用丙醇、丁醇、液態(tài)烷、液態(tài)酯等。

（3） 對(duì)于真密度的變化，從晶體結(jié)構(gòu)層面來(lái)看（見(jiàn)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(guò)離子鍵相結(jié)合，而層間主要通過(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(kāi)。

（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(rùn)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(jiàn)圖3）。

（4） 把反應(yīng)后的粉末放回量筒，發(fā)現(xiàn)體積超過(guò)22mL，說(shuō)明固體體積膨脹超過(guò)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(jiàn)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(wú)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(shuō)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(wú)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(chǎng)景：在沙子中倒水，體積不僅沒(méi)有增大，反而“凹陷”了下去。這些現(xiàn)象說(shuō)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?jī)?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?jī)?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?jī)?nèi)粉末間的空隙，提高粉末的堆積密度［11］。

5? 結(jié)語(yǔ)

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(guò)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(guò)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(duì)反應(yīng)歷程的認(rèn)識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)無(wú)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(cè)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(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)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)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王晶， 鄭長(zhǎng)龍主編. 義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)·九年級(jí)上冊(cè)［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 148.

［2］繆培. 塑料瓶到底是怎么脹破的［J］. 理科考試研究， 2019， 26（10）： 58～59.

［3］［9］熊爽， 嚴(yán)金生， 周洲等. 生石灰消化反應(yīng)條件對(duì)氫氧化鈣特性影響［J/OL］. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè)： 114［20231112］. DOI： 10. 19964/j.issn.1006-4990.20230051.

［4］田新娟， 龍亞平， 肖文釗等. 灰分和硫含量對(duì)煤的視相對(duì)密度測(cè)定結(jié)果的影響［J］. 煤質(zhì)技術(shù)， 2012， （6）： 42～43， 49.

［5］Seville J.P.K.， Wu C.Y.. Particle technology and engineering： An engineers guide to particles and powders： Fundamentals and computational approaches ［M］. Oxford， English： Butterworth-Heinemann， 2016： 18～22.

［6］吳俊明， 李建強(qiáng). “分子中原子相互影響”觀念的基礎(chǔ)、養(yǎng)成、意義和應(yīng)用［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （6）： 3～9.

［7］Zhang H.， Zhao H.， Chen J.， et al.. Defect study of MgOCaO material doped with CeO2 ［J］. Advances in Materials Science and Engineering， 2013， （2013）： 673786.

［8］Aierken Y.， Sahin H.， Iyikanat F.， et al.. Portlandite crystal： Bulk， bilayer， and monolayer structures ［J］. Physical Review B， 2015， 91（24）： 245413.

［10］李旭娃. 實(shí)驗(yàn)室化學(xué)藥品的緩沖式保護(hù)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （3）： 70～73.

［11］馬小強(qiáng). 利用粉末堆積理論對(duì)廢樹(shù)脂熱態(tài)超壓深度減容的探討［J］. 中國(guó)核電， 2021， 14（6）： 787～793.