压强在初中化学实验中的应用

■金志华

压强在初中化学实验中的应用

■金志华

10.3969/j.issn.1671-489X.2012.32.104

结合多年教学经历，就压强与实验装置的气密性检查、压强与气体体积的测定、压强与实验方案的设计、压强与实验的安全性及合理性等方面，谈谈对实验教学的总结、应用和创新。

实验是化学的基础，更是初中化学的生命和灵魂。新课标要求学生初步形成基本的化学实验技能，能设计和完成一些简单的化学实验，初步学会运用观察、实验等方法获取信息。实验较好地体现了学生对知识的综合能力和创新能力。在新课改的教学实践中，笔者越来越体会到实验在化学教学和化学中考中的地位与日俱增，而压强在许多实验的操作、设计中起着至关重要的作用。

1 压强与实验装置的气密性检查

对于实验装置气密性的检查方法，学生如果死记硬背，很容易将不同情况下的检查方法相互混淆、张冠李戴，但如弄清其压强变化的原理后，就能轻松应对了。

初中化学中典型气体发生装置有三种。

1）高锰酸钾制氧气装置，即固体加热制气体的装置。这套装置气密性检查的方法：先将导管浸入水中，再用手紧捂试管外壁，导管口有气泡产生，松开手后，导管内形成一段稳定的水柱，则气密性良好。原理：如装置和气密性良好，则升温后装置内压强增大，大于外界大气压，气体逸出，再冷却至室温，此时压强小于外界大气压，所以水倒吸形成一段稳定的水柱；如有少许漏气，则装置内外压强会逐渐趋于相同，形成的水柱会逐渐回落。

2）双氧水和二氧化锰混合制氧气装置，即带有分液漏斗和导气管的双孔橡皮塞与锥形瓶连接成的装置。这套装置气密性检查的简单方法：先用止水夹夹紧导气管，再关闭漏斗活塞并向漏斗内加水，然后打开活塞，如水下滴一会儿后不再下滴，则气密性良好。原理：将水注入锥形瓶时，如不漏气，则瓶内气压会逐渐增大，进而阻止水继续下滴；如漏气，则装置内外压强始终相等，水就会一直往下流，直到流完为止。另外用这套装置制备气体的过程中，如漏斗上口的塞子始终塞紧，则随着液体不断下滴，漏斗内压强会不断减小，锥形瓶内不断产生气体，压强较大，所以一段时间后，液体也将难以流下。解决方法是打开瓶塞，使压强增大后重新塞上。

3）石灰石和稀盐酸制二氧化碳或锌粒和稀硫酸制氢气装置，即将上述第二套装置中的分液漏斗换成长颈漏斗就可以了。该套装置的气密性检查方法很多，如向长颈漏斗中加水形成液封后夹紧导气管，继续加少量水，漏斗内液面高于锥形瓶内液面，且液面高度差保持不变，则装置气密性良好。原理：形成液封后，如气密性好，再向漏斗内加水，锥形瓶内气体无法外逸导致压强增大，漏斗内液面就无法下降；如气密性不好，最终锥形瓶内外压强相等，漏斗内液面与锥形瓶内液面就会相平。再如，先使漏斗下端形成液封，再在导管处连接一针筒，向外缓缓拉动活塞，漏斗末端有气泡产生；或缓缓向内推动活塞，漏斗内形成一段稳定的水柱，则气密性良好。原理：不漏气时，向外拉活塞，使装置内气体体积增大，压强减小，外面气体就被抽进来了；向内推活塞，则装置内气体体积减小，压强增大，水被压出形成水柱；如漏气，则装置内外压强一直相等，无上述现象发生。

气体发生装置还有很多，气密性检查的方法也多种多样，但本质都是利用压强的变化来实现的。另外，气密性检查一般都离不开水，其原因主要是两点，一是利用水使装置内气体处于密闭状态，二是有了水压强是否变化就能明显地表现出来，让人能方便地直观地感知到。学生了解了这些原理后，解决这类问题时就有了灵感和创造性，显得游刃有余。比如，笔者问：“现有一只烧杯、一只集气瓶、一支底部有小洞的试管和一只带导管的单孔橡皮塞，能用来制得一瓶二氧化碳气体吗？”学生都说能，并讨论出具体方案。笔者接着问：“那么，试管与橡皮塞连接处是否漏气如何检验呢？”学生短暂讨论后就有了结果：先将导气管用止水夹夹紧，然后用力将试管浸入盛水的烧杯中，水不能进入试管，则不漏气。

2 压强与气体体积的测定

气体体积的测定也是初中化学实验技能的考查内容之一，最直接的方法一般是排水法（气体能溶于水时，可用油等气体难溶于其中的液体试剂来替代水）。如要测产生的少量氢气的体积，运用排水法的第一种方案：将产生的氢气由短导管通入盛满水的洗气瓶，瓶内气体压强大于外面大气压，就会将瓶内的水通过接近瓶底的长导管压出瓶外，用量筒收集压出的水，此时量筒内水的体积即近似为通常状况下产生氢气的体积。第二种方案：将量筒充满水倒置在水槽中，氢气直接通入量筒，利用自身压力将水压出，但结束时量筒内气体体积不能看作氢气在常压下的体积，必须上下移动量筒使量筒与水槽内液面相平，即量筒内外压强相同，这时量筒内气体体积才是所测氢气在常压下的体积。第三种方案：用量气管来测氢气体积，同样要注意调节量气管高度，使反应前、后两边液面相平，这样才能使反应前后气体压强相同，才是测出生成氢气的真正体积。

另外，新教材中有关空气中氧气体积分数测定实验，就是利用了红磷燃烧耗尽氧气，使集气瓶内气体压强减小，小于外面大气压，引起水倒吸，倒吸入集气瓶内水的体积即为瓶内氧气体积来实现实验目的的。值得注意的是，要使装置内气体冷却到室温才能打开止水夹，否则，虽然看上去反应前后压强相等，却是不同温度下的压强。只有恢复到常温，倒吸入瓶内的水的体积才是常温常压下原有集气瓶内氧气的体积，用此时的氧气体积除以反应前常温常压下瓶内空气总体积，就得到氧气在空气中的体积分数。

3 压强与实验方案的设计

培养学生设计简单的化学实验的能力，是初中化学教学的重点和难点，其实在许多情况下，学生常常感到不得要领、难以下手，很茫然，但如果能有意识地利用压强变化来显现化学知识，往往会达到化难为易、化繁为简的效果。比如：请通过简单的实验证明二氧化碳能溶于水。这时就可以用试管收集满气体后倒插入水中，看试管内液面上升情况：气体在水中溶解得越多，试管内压强越小，水面就上升得越高。或在软塑料瓶内充满二氧化碳，再注入少量水，振荡，气体溶于水后，瓶内压强减小，瓶就会瘪掉。还可以用集气瓶来做这个实验，先在瓶内充满二氧化碳，再注入少量水，盖上毛玻片，充分振荡，然后悬空倒置，如玻璃片不掉下，说明瓶内气体压强减小，则该气体能溶或易溶于水。

再如：请利用石灰石和盐酸等试剂，设计实验，探究反应速率与反应物接触面积之间的关系。很显然，要求设计的是一组对照实验，唯一的变量是反应物的接触面积，要实现这一变量，只要在两支大小相同的试管中分别加入等质量的块状和粉末状石灰石就可以了，再分别同时向试管中加入等体积、同浓度的稀盐酸，反应就同时开始了。而谁快谁慢仅靠目测是难以令人信服的，能不能利用压强的变化使速率大小很直观地表现出来呢？学生讨论后一致认为能，想出好多方法，如分别同时塞上带气球的单孔橡皮塞，看气球膨胀的快慢；或分别同时塞上带长导管的单孔橡皮塞（导管足够长且均插到试管底部），看反应开始后导管内液面上升的快慢等（最终液面相平）。

另外，还有探究二氧化碳是否会引起温室效应，探究氧化钙与水反应时的能量变化，探究铁生锈的条件，等等这些实验均可利用压强变化的思想来指导设计方案，达到实验目的。

4 压强与实验的安全性、合理性

需要加热的气体发生装置，一定不能密闭，这是所有化学研究者必须牢记的，因为密闭装置中高温气体不断产生，会使压力越来越大，最终引起爆炸。有时装置即使没有密封，但反应产生气体速率太快，反应放热又较多，致使气压增大太快，也易引起爆炸。实验室不用启普发生器制备乙炔气体就是因为这个原因。还有一种常见实验是药品需要加热产生气体，并将产生的气体通入低温液体中，比如高锰酸钾加热制氧气并用排水法收集、铜绿受热分解并将产生的气体通入澄清石灰水等。这类实验在实验结束时必须先将导管移出水面，再停止加热，否则装置内压强突然减小，极易引起倒吸使热的试管炸裂。

有时在实验过程中气流不够连续时，气压忽大忽小，也易引起倒吸，这时需在温差较大的两装置间连接一安全瓶。实验室用长颈漏斗和锥形瓶制氢气时，如反应速率太快，虽然漏斗下端形成液封，气体因压力过大也会有部分从漏斗中逸出。此时可在漏斗末端套一小试管，就能避免上述情况发生，并且更节约药品。

还有课本在探究质量守恒定律时安排了这样一个实验：在密闭装置中让石灰石和稀盐酸反应，并称量反应前后装置的总质量。这样应该可以达到实验目的了，但学生很快发现课本实验中锥形瓶内还加了澄清石灰水，其用意何在呢？是用来检验二氧化碳的吗？显然不是，它的作用是吸收生成的二氧化碳气体，防止锥形瓶内气体压强过大而使橡皮塞冲出或松动而漏气。正是考虑到压强的影响才使实验设计更合理、科学，实验操作更安全、可靠。

当然，与压强密切相关的初中化学实验还有很多，如加压使气体溶解度增大、减压使液体沸点降低等，压强在化学实验中有着重要作用，教师应该在教学过程中不断总结、应用和创新，以提高实验能力。

江苏省苏州市草桥中学校）