[教学论文]喷泉实验的探究

[教学论文]喷泉实验的探究

 喷泉实验的探究
摘要：喷泉实验是中学化学最典型的实验之一,颜色壮观,效果明显,趣味性强。是体现众多知识和能力的交汇点，也是高考的热点之一。研究喷泉实验能够很好地培养学生观察、记忆、分析、创新能力。本文旨在通过对“喷泉”实验的多方位、多层次的剖析，达到强化基础，寓教于乐,激发学生学习兴趣、培养学生创新精神。
关键词：吸入式喷泉、压出式喷泉、特殊的喷泉
 
 喷泉是一种宏观的液体喷涌现象,形成喷泉的关键是形成内外压强差。具体来说，有两种常见类型：“吸入式喷泉”和“压出式喷泉”
一、“吸入式喷泉”
 装置上方容器密闭，下方是开放的。是通过迅速减小上方容器中气体压强，形成压强差P下>P上，产生喷泉。
用物理方法形成压强差。
利用离心力。
 如图1所示,取透明水槽一个,20cm长玻璃直角导管一根。实验时,将玻璃直角导管较长一端浸入水中,用洗耳球吸去导管中空气使导管充满水,马上用手搓动直导管部分,使它做圆周运动,由于离心作用,水被甩出,玻璃导管的c段呈真空,水不断得到补充,从导管口可以看到源源不断的水喷洒出来形成环状喷泉。
利用液压差。
 如图2所示，当水沿出水管流出时,封闭的玻璃管中空气的体积增大,压强减小,使管外大气压强大于管中空气的压强,所以水能从喷嘴喷出。喷射的水柱高度由储水槽到接水槽水平面的高度差来决定。
 水柱喷射高度的计算方法如下:设空气压强为p0,玻璃喷管中的空气压强为p,接水槽到储水槽的高度差为H,储水槽液面到玻璃管中液面的高度差为s,喷射水柱高度为h.则储水槽液面的压强应满足
 p0=ρgs+ρgh+p,
 接水槽液面的压强也应满足
 p0=ρgH+ρgs+p。
 由以上两式可得H=h,即水柱高度等于出水口到进水口的高度差,由于水与管之间有阻力,因而实际上h<H。该实验不仅说明了大气压的存在,同时也是利用大气压的一个很有趣的实验。
 2、用化学方法形成压强差。
这也是课本上常见的类型。这里的化学方法指的中学化学课本所介绍的方法，包括上方容器中气体应极易溶于下方溶液或发生化学反应而被下方溶液吸收。①如果气体易溶水，如:HCI、HBr、NH3、体积比为4:1的NO2与O2的混合物等，溶液用水就可形成喷泉，此时还要求烧瓶必须干燥。②如果气体不易溶于水，但易溶于有机溶剂，可用有机溶剂来代替水，如：Cl2易溶于CS2、CC14等有机溶剂。③如果气体在水中溶解度不大，但是酸性气体。如：CO2,H2S,C12等，可用浓度相对较大的NaOH溶液来代替水。④其它两两反应的，如乙烯与溴水也可形成喷泉。
 引发喷泉的方式有以下几种：
 2．1、溶解法。
 如图3所示。胶头滴管充满液体，烧瓶中气体极易溶于液体或发生化学反应被吸收。只要挤压一下胶头滴管，实验开始。
 2．2、热捂法。
 如图4所示。用热毛巾加热烧瓶中的气体,由于热胀冷缩, 一部分气体膨胀溶于下面液体,移开热毛巾冷却,由于P外界大气压>P瓶内气压,便在烧瓶中看到喷泉现象。
 2．3、冷敷法。
 如图2所示。用冰水中浸过的毛巾冷却烧瓶中的气体,由于热胀冷缩,P外界大气压>P瓶内气压,导管中的液体压入瓶中,不久便在烧瓶中看到喷泉现象。（注：热捂与冷敷最好根据气温而定,一般气温较高时用冷敷效果较好,气温较低时用热捂效果较好。）
 2．4、活性炭吸附法。
 由于许多气体都可以被活性炭吸附，在上述图2实验装置中增加一个盛有活性炭的圆管（如图5所示）。先将一带有导管和短玻璃管(盛有活性炭)的橡皮塞塞紧集满气体的圆底烧瓶，翻转烧瓶使活性炭滑入烧瓶中，振荡使气体充分被吸附后，把导管下面的橡皮塞插人溶液中，打开止水夹。
 2．5、挤压法。
 如图6所示。采用挤压塑料瓶的办法,使少量气体溶于水,放开后,由于P外界大气压>P瓶内气压,导管中的溶液压入烧瓶中,不久便在烧瓶中看到喷泉现象。
 2．6、化学反应法。（双喷泉实验）
 如图7所示。一个烧瓶内充满氨气，另一个烧瓶内充满氯化氢，两气体均易溶于水。先打开止水夹a，让两气体充分反应，再打开止水夹b、c。不久便在两烧瓶中看到喷泉现象。（说明：两气体常温下反应,产物是固体或液体,总体积减小,气压降低,适应此装置。）
二、“压出式喷泉”
 装置下方容器密闭，上方是开放的。是通过迅速增大下方容器中气体压强，形成压强差P下>P上，产生喷泉。
 给下方密闭容器加压的方式有两种。一种是直接加压，另一种是迅速反应产生气体或液体易挥发产生气体。
用物理方法形成压强差。
1．1、加热液体挥发法。
 如图8所示。在锥形瓶中加人易挥发产生气体的液体，并使锥形瓶受热。例如：向锥形瓶中加人乙醇或苯或汽油等，向水槽的水中加人浓H2S04；或直接热水浴。
1．2、气体扩散法。
 如图9所示。A为能容许气体通过的特制的素烧瓷筒(也可用内刺多个小孔、外包光滑玻璃纸的塑料瓶代替)。实验时,向烧杯中持续通入氢气,因气体的扩散速率与相对分子质量有关：υ1/υ2=（M2/M1）1/2,H2进入A的扩散速率比空气从A逸出的速率大,导致A内压强增大,从而在B处产生喷泉。
2、用化学方法形成压强差。
 如图10所示。向锥形瓶中放人能迅速反应产生气体的物质，然后迅速密封.如加人碳酸氢按固体与盐酸、过氧化钠粉末与水等。
 例如：利用钠跟水的反应做喷泉实验
 ①如图11连接好装置,广口瓶中加水至与橡皮塞接触处,滴入几滴酚酞试液,橡皮塞上固定一根拉直的回形针,针上扎入比黄豆粒略大的金属钠。
 ②迅速塞上橡皮塞,可看到钠跟水剧烈反应,熔化成光亮的小球,在水面四处游动,可乐瓶中形成红色喷泉。发生反应:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,酚酞遇NaOH溶液变红。
 ③拔出导管b,可乐瓶中水面回落,广口瓶中水面上升。打开止水夹a,立即在导管口处点燃,可看到淡蓝色火焰。证明生成气体是H2。
 说明：此实验既能观察到钠与水反应的现象及美丽的喷泉,又能证明生成的产物是NaOH和H2。
三、特殊的喷泉——“喷烟”实验
 上面叙述喷泉实验都是液体喷涌现象，是真的喷泉。据此，我们还可以知识迁移到烟的涌动，现象和原理与喷泉很相象。
 例如：如图12所示。氯化氢气体与氨气反应可形成“白烟”,这是演示气体扩散的典型实验.“白烟”是氯化铵固体.由于固体的体积远小于气体的体积,所以氯化氢气体与氨气反应形成“白烟”后,气体体积显著减少.可以想象,在氨和水的“喷泉”实验中,如果我们用氯化氢气体代替水进行实验,同样可形成“喷泉”,只是这种“喷泉”喷出的不是水,而是“白烟”(氯化铵固体)而已。
 当我们进行这种“白烟喷泉”实验时,发现一个奇特的实验现象,“白烟喷泉”是一种“间歇性喷泉”,与火山口的喷发类似,只是时间间隔非常短。
 为什么氯化氢气体和氨气不形成连续喷泉而形成间歇性喷泉呢?其主要原因是(1)反应放热量较大;(2)烧瓶中气体及生成物的热容量较小。当少量氯化氢气体进入烧瓶时,与氨发生反应:NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s),由于反应后生成固体产物,烧瓶中的气体量减小,导致压力降低。同时,进入烧瓶中的氯化氢与氨发生反应放热使烧瓶内氨气温度升高导致压强增大。这是矛盾的两个方面。反应放热量较大,氨气吸热温度升高,导致烧瓶内压强增大。当烧瓶内的压强大于大气压时,氯化氢气体不能进入烧瓶,喷泉停止。由于烧瓶向环境散热,烧瓶内的温度和压强随着热量的散失而降低。当烧瓶内的压强小于大气压时,氯化氢气体重新进入烧瓶,形成再一次喷发。这样不断循环就形成了间歇性喷泉。
 氯化氢气体与氨气反应形成的“白烟喷泉”，除此之外H2S气体和SO2气体反应也可以形成“喷烟”实验。
参考文献：
1．杜海彦，NH3 的喷泉实验的创新，化学教学 ，2007（9）
2. 黄宗海，氨气喷泉实验的改进，教学研究，2008（8）
3．朱江海，气压与喷泉实验的综合设计，技术物理教学，2004（1）
4．张明全，陈玉玲，喷泉实验的改进，化学教学参考，2007（12）

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