碎瓷片防止液体暴沸初探

刘腾飞

张永強  高级教师，湖南省十佳科技教师。全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

高中教材里的许多涉及液体加热的实验，都有加入碎瓷片防止暴沸的步骤。日常生活中，人们在煮稀饭时为了防止粥溢出锅，会在锅内放少量的红薯块或南瓜块，可见化学实验中的许多做法都源于日常生活。

然而，教材中并没有解释为何碎瓷片能防止液体暴沸。由于不清楚碎瓷片防止液体剧烈沸腾的原因，许多同学在实验操作中常常忘记这个步骤，在考试中遇到此知识点时，往往失分。

碎瓷片为什么能防止液体暴沸？我查找了大量的资料，并未查到令我满意的答案。在老师的鼓励和指导下，我在实验室对此进行了探究。

一、探究目的

依据液体沸腾的原理、气泡产生的方式、气泡运动的路线、气泡大小的分布等方面，围绕碎瓷片防止暴沸的机理展开多项实验，通过对比研究，探明碎瓷片防止暴沸的原因，以及碎瓷片的大小、形状与防暴沸效果之间的关系。

二、研究内容

1.液体为什么会沸腾。

2.气泡产生的原因，运动的路线如何确定。

3.碎瓷片防止暴沸的机理。

4.碎瓷片防止暴沸的效果与其大小、形状是否有关。

三、研究过程

（一）液体为什么会暴沸

1.实验器材

纯净水50 mL、500 mL蒸馏烧瓶、酒精灯、温度计、500 mL烧杯、铁架台。

2.实验步骤

将50 mL纯净水倒入烧杯加热，观察水的温度变化及暴沸时的现象并记录。

3.实验现象

在水温达到35 ℃时，烧瓶底部开始出现小气泡，由于容器底部温度较高，气泡最先在底部生成，后迅速上升，逐渐增大，在水面漂浮一段时间后破裂。一般情况下，普通水达到98 ℃时就会出现沸腾现象，但本次实验中，纯净水达到98 ℃时未沸腾，温度反而继续上升，在达到100 ℃以上时剧烈沸腾，大气泡从水面中心快速上升到水面后炸裂，大量水蒸气从蒸馏烧瓶的支管逸出。

4.实验结论

普通水一般达到98 ℃ 沸腾，但纯净水或蒸馏水即使达到沸点也不会沸腾，温度继续上升到104 ℃，直至发生暴沸。

（二）气泡的产生以及运动路线

1.实验现象

气泡首先在容器底部产生，刚开始体积较小、数量较少，随着温度的升高，体积增大、数量增多，然后缓慢上升，从底部一直升腾到液面，在液面鼓起一个又一个气泡，然后破裂，热气体分散。

2.实验结论

由于容器底部距离热源最近，温度最先升高，因此气泡最先出现在底部，随着温度逐渐升高，气泡越来越多，越来越大。由于气泡的密度小于液体的密度，气泡慢慢上浮，一直上升到液面。

在气泡上升过程中，气泡位于液体内部，承受来自上部液体产生的压力，离液面越近，气泡承受的压力越小，气泡逐渐变大。气泡到达液面后，气泡承受的压力消失，气泡内部的张力冲破表面的液体层，气泡破裂消失。

（三）碎瓷片防止暴沸的原因

1.实验器材

纯净水、温度计、酒精灯、烧瓶、铁架台、碎瓷片。

2.实验步骤

分别取50 mL纯净水倒入A、B两个烧瓶，将两个烧瓶分别置于铁架台上，A瓶中加4块碎瓷片（面积约0.5 cm2），B瓶中不加碎瓷片，其他条件相同且适宜，同时加热。观察在相同时间内水的温度变化，分析、比较实验结果。

3.实验现象

A瓶中水温上升速度稍慢，最终仍能达到沸点，并正常沸腾。B瓶中纯净水达到与A瓶相同的温度时，并未出现明显的沸腾现象，在温度持续升高之后，突然暴沸。A瓶中气泡皆从碎瓷片附近上升，有的被压在碎瓷片下方，无法逸出。

实验前，我认为碎瓷片防止暴沸是由于它将气泡压破，导致大气泡无法形成，不能在水面炸裂，以至无法暴沸，并且碎瓷片还能延缓温度上升的速度。但实验数据并不能确切地证明，碎瓷片可以延缓温度上升，所以我判断，压破气泡只是它防止暴沸的表面原因，并非防止暴沸的真正原理。

通过查阅资料，再结合实验数据，我认为，碎瓷片防止暴沸是因为其压破了气泡，并释放自身气泡，增加了气化中心。

4.实验结论

碎瓷片的棱角将大气泡“压碎”成小气泡，又释放了自身含有的气泡，增加了气化中心，防止液体暴沸。

（四）探究防止暴沸的效果与碎瓷片的大小是否有关

1.实验器材

纯净水、温度计、酒精灯、烧瓶、铁架台、碎瓷片。

2.实验步骤

分别取50 mL纯净水倒入A、B两个烧瓶中，在A烧瓶中加入4块碎瓷片（每块面积约为1 cm2），在B烧瓶中加入4块小碎瓷片（每块面积约为0.5 cm2），其他条件相同且适宜，同时加热。记录两支温度计在相同时间内的数值。

3.实验现象

A烧瓶中水温上升较慢，且在相同时间内上升的幅度小，沸腾时气泡主要集中在碎瓷片底部。将水温冷却至90℃后再次加热，发现有大气泡直接在碎瓷片底部破裂，甚至将碎瓷片顶起。

4.实验结论

碎瓷片防止暴沸的效果与其大小有关，碎瓷片越大，效果越好。

四、实验结论

液体在被加热时，由于缺少气化中心而暴沸，如果加入碎瓷片，碎瓷片能将大气泡切割成小气泡，增加了气化中心。同时，碎瓷片在加热过程中，其自身温度也在升高，碎瓷片自身相当于一个热源，会形成许多微孔，其中众多微孔在临界沸腾的液体中也会形成气化中心，使液体均匀沸腾，起到防止暴沸的作用。（指导老师： 张倩倩  尚少莎）

专家点评

本项目研究源于作者对教材原有实验的延伸，作者善于发现问题，并试图通过设计实验去验证自己的假设，尝试解释实验现象，实验所使用的对比实验方法可行，实验数据可信。

建议将实验器材的型号标记清晰，实验分析时，若改用线型图进行对比分析会更加直观。此外，实验解释还需要有更充分的事实和理论依据。

本文中，碎瓷片能防止暴沸的原因，正是作者在结论中所描述的碎瓷片中有众多的微孔。