[教學論文]噴泉實驗的探究

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1、[教學論文]噴泉實驗的探究 噴泉實驗的探究 摘要：噴泉實驗是中學化學最典型的實驗之一,顏色壯觀,效果明顯,趣味性強。是體現(xiàn)眾多知識和能力的交匯點，也是高考的熱點之一。研究噴泉實驗能夠很好地培養(yǎng)學生觀察、記憶、分析、創(chuàng)新能力。本文旨在通過對“噴泉”實驗的多方位、多層次的剖析，達到強化基礎，寓教于樂,激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。 關鍵詞：吸入式噴泉、壓出式噴泉、特殊的噴泉 噴泉是一種宏觀的液體噴涌現(xiàn)象,形成噴泉的關鍵是形成內(nèi)外壓強差。具體來說，有兩種常見類型：“吸入式噴泉”和“壓出式噴泉” 一、“吸入式噴泉” 裝置上方容器密

2、閉，下方是開放的。是通過迅速減小上方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產(chǎn)生噴泉。 用物理方法形成壓強差。 利用離心力。 如圖1所示,取透明水槽一個,20cm長玻璃直角導管一根。實驗時,將玻璃直角導管較長一端浸入水中,用洗耳球吸去導管中空氣使導管充滿水,馬上用手搓動直導管部分,使它做圓周運動,由于離心作用,水被甩出,玻璃導管的c段呈真空,水不斷得到補充,從導管口可以看到源源不斷的水噴灑出來形成環(huán)狀噴泉。 利用液壓差。 如圖2所示，當水沿出水管流出時,封閉的玻璃管中空氣的體積增大,壓強減小,使管外大氣壓強大于管中空氣的壓強,所以水能從噴嘴噴出。噴射的水柱高度由儲水槽到接水槽水平面的高

3、度差來決定。 水柱噴射高度的計算方法如下:設空氣壓強為p0,玻璃噴管中的空氣壓強為p,接水槽到儲水槽的高度差為H,儲水槽液面到玻璃管中液面的高度差為s,噴射水柱高度為h.則儲水槽液面的壓強應滿足 p0=ρgs+ρgh+p, 接水槽液面的壓強也應滿足 p0=ρgH+ρgs+p。 由以上兩式可得H=h,即水柱高度等于出水口到進水口的高度差,由于水與管之間有阻力,因而實際上hP瓶內(nèi)氣壓,便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。 2．3、冷敷法。 如圖2所示。用冰水中浸過的毛巾冷卻燒瓶中的氣體,由于熱脹冷縮,P外界大氣壓>P瓶內(nèi)氣壓,導管中的液體壓入瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。（注：熱捂與冷敷最好

4、根據(jù)氣溫而定,一般氣溫較高時用冷敷效果較好,氣溫較低時用熱捂效果較好。） 2．4、活性炭吸附法。 由于許多氣體都可以被活性炭吸附，在上述圖2實驗裝置中增加一個盛有活性炭的圓管（如圖5所示）。先將一帶有導管和短玻璃管(盛有活性炭)的橡皮塞塞緊集滿氣體的圓底燒瓶，翻轉(zhuǎn)燒瓶使活性炭滑入燒瓶中，振蕩使氣體充分被吸附后，把導管下面的橡皮塞插人溶液中，打開止水夾。 2．5、擠壓法。 如圖6所示。采用擠壓塑料瓶的辦法,使少量氣體溶于水,放開后,由于P外界大氣壓>P瓶內(nèi)氣壓,導管中的溶液壓入燒瓶中,不久便在燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。 2．6、化學反應法。（雙噴泉實驗） 如圖7所示。一個燒瓶內(nèi)充滿氨氣，另

5、一個燒瓶內(nèi)充滿氯化氫，兩氣體均易溶于水。先打開止水夾a，讓兩氣體充分反應，再打開止水夾b、c。不久便在兩燒瓶中看到噴泉現(xiàn)象。（說明：兩氣體常溫下反應,產(chǎn)物是固體或液體,總體積減小,氣壓降低,適應此裝置。） 二、“壓出式噴泉” 裝置下方容器密閉，上方是開放的。是通過迅速增大下方容器中氣體壓強，形成壓強差P下>P上，產(chǎn)生噴泉。 給下方密閉容器加壓的方式有兩種。一種是直接加壓，另一種是迅速反應產(chǎn)生氣體或液體易揮發(fā)產(chǎn)生氣體。 用物理方法形成壓強差。 1．1、加熱液體揮發(fā)法。 如圖8所示。在錐形瓶中加人易揮發(fā)產(chǎn)生氣體的液體，并使錐形瓶受熱。例如：向錐形瓶中加人乙醇或苯或汽油等，向水槽的水中加

6、人濃H2S04；或直接熱水浴。 1．2、氣體擴散法。 如圖9所示。A為能容許氣體通過的特制的素燒瓷筒(也可用內(nèi)刺多個小孔、外包光滑玻璃紙的塑料瓶代替)。實驗時,向燒杯中持續(xù)通入氫氣,因氣體的擴散速率與相對分子質(zhì)量有關：υ1/υ2=（M2/M1）1/2,H2進入A的擴散速率比空氣從A逸出的速率大,導致A內(nèi)壓強增大,從而在B處產(chǎn)生噴泉。 2、用化學方法形成壓強差。 如圖10所示。向錐形瓶中放人能迅速反應產(chǎn)生氣體的物質(zhì)，然后迅速密封.如加人碳酸氫按固體與鹽酸、過氧化鈉粉末與水等。 例如：利用鈉跟水的反應做噴泉實驗 ①如圖11連接好裝置,廣口瓶中加水至與橡皮塞接觸處,滴入幾滴酚酞試液,橡皮

7、塞上固定一根拉直的回形針,針上扎入比黃豆粒略大的金屬鈉。 ②迅速塞上橡皮塞,可看到鈉跟水劇烈反應,熔化成光亮的小球,在水面四處游動,可樂瓶中形成紅色噴泉。發(fā)生反應:2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,酚酞遇NaOH溶液變紅。 ③拔出導管b,可樂瓶中水面回落,廣口瓶中水面上升。打開止水夾a,立即在導管口處點燃,可看到淡藍色火焰。證明生成氣體是H2。 說明：此實驗既能觀察到鈉與水反應的現(xiàn)象及美麗的噴泉,又能證明生成的產(chǎn)物是NaOH和H2。 三、特殊的噴泉——“噴煙”實驗 上面敘述噴泉實驗都是液體噴涌現(xiàn)象，是真的噴泉。據(jù)此，我們還可以知識遷移到煙的涌動，現(xiàn)象和原理與噴泉很相象。 例如：

8、如圖12所示。氯化氫氣體與氨氣反應可形成“白煙”,這是演示氣體擴散的典型實驗.“白煙”是氯化銨固體.由于固體的體積遠小于氣體的體積,所以氯化氫氣體與氨氣反應形成“白煙”后,氣體體積顯著減少.可以想象,在氨和水的“噴泉”實驗中,如果我們用氯化氫氣體代替水進行實驗,同樣可形成“噴泉”,只是這種“噴泉”噴出的不是水,而是“白煙”(氯化銨固體)而已。 當我們進行這種“白煙噴泉”實驗時,發(fā)現(xiàn)一個奇特的實驗現(xiàn)象,“白煙噴泉”是一種“間歇性噴泉”,與火山口的噴發(fā)類似,只是時間間隔非常短。 為什么氯化氫氣體和氨氣不形成連續(xù)噴泉而形成間歇性噴泉呢?其主要原因是(1)反應放熱量較大;(2)燒瓶中氣體及生成物的

9、熱容量較小。當少量氯化氫氣體進入燒瓶時,與氨發(fā)生反應:NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s),由于反應后生成固體產(chǎn)物,燒瓶中的氣體量減小,導致壓力降低。同時,進入燒瓶中的氯化氫與氨發(fā)生反應放熱使燒瓶內(nèi)氨氣溫度升高導致壓強增大。這是矛盾的兩個方面。反應放熱量較大,氨氣吸熱溫度升高,導致燒瓶內(nèi)壓強增大。當燒瓶內(nèi)的壓強大于大氣壓時,氯化氫氣體不能進入燒瓶,噴泉停止。由于燒瓶向環(huán)境散熱,燒瓶內(nèi)的溫度和壓強隨著熱量的散失而降低。當燒瓶內(nèi)的壓強小于大氣壓時,氯化氫氣體重新進入燒瓶,形成再一次噴發(fā)。這樣不斷循環(huán)就形成了間歇性噴泉。 氯化氫氣體與氨氣反應形成的“白煙噴泉”，除此之外H2S氣體和SO2氣體反應也可以形成“噴煙”實驗。 參考文獻： 1．杜海彥，NH3 的噴泉實驗的創(chuàng)新，化學教學 ，2007（9） 2. 黃宗海，氨氣噴泉實驗的改進，教學研究，2008（8） 3．朱江海，氣壓與噴泉實驗的綜合設計，技術物理教學，2004（1） 4．張明全，陳玉玲，噴泉實驗的改進，化學教學參考，2007（12）