巧借压强变化探究活性炭的吸附性

樊丽静 刘强

摘要：从定性实验和定量实验（DIS实验）两个方面进行了活性炭的吸附性实验探究。提供活性炭吸附不同气体的相关实验数据，启发学生比较相关因素、分析吸附规律，培养学生综合分析的能力。

关键词：活性炭;吸附性;气体压强;数字化实验

文章编号：1008-0546（2022）03x-0085-02    中图分类号：G632.41    文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.0022

生活中，我们常常接触到这样一种炭，它应用于净水器滤芯、防毒面具及冰箱除味等，那就是活性炭。在“水的净化”教学中，学生已经知道活性炭可用作净水器中的吸附剂。那么，活性炭为什么具有吸附性呢？通过教师的恰当的引导，学生答到：“这是由其结构决定的，因为结构决定性质。”确实如此吗？将活性炭在显微镜下放大（如图1所示），观察其表面具有疏松多孔的结构，这种结构决定其表面积大、表面活性强，因此具有良好的吸附性，其可用于吸附气体或溶液中的色素，应用于生活中可作吸附剂[1]。如何通过实验的方法验证活性炭的吸附性呢？笔者借用气体压强变化的原理来探究活性炭的吸附性，取得了不错的教学效果。

实验（一）定性研究：倒吸现象验证气压变化（如图2）。

在学习测定空气中氧气体积分数的实验中学生已经知道，红磷燃烧消耗了氧气，气体减少后使得密闭装置内气体压强变小，最终导致水倒吸入瓶中。同学们能从该实验中得到什么启发呢？活性炭吸附气体的实验能否仿照同样的原理设计？教学中笔者设计了如下实验，锥形瓶内预先收集黄绿色的有毒气体（氯气），烧杯中盛有红色液体，将活性炭加入到锥形瓶中，迅速塞紧橡皮塞，观察现象。可观察到烧杯中红色液体倒吸入中间的瓶中。一段时间后，液体停止倒吸，锥形瓶中的黄绿色消失，幾乎呈无色。发生这样的实验现象原因是什么？这是由于活性炭吸附了氯气，导致锥形瓶内气体减少，气体压强变小，大气压将烧杯中的红色液体压入中间的瓶中。通过液体倒吸，学生可以感受到活性炭的吸附性是真实存在的，且利用该实验，还可以进一步对比木炭与活性炭的吸附能力强弱。

实验（二）定量研究：数字化实验监测气压变化（如图3、图4）。

活性炭在密闭装置内吸附气体后引发的气体压强变化，可以借助压强传感器通过数据和图像直观、实时监测实验过程中锥形瓶内的气压变化。实验过程如下：

将盛有氯气的锥形瓶依次连接压强传感器——数据采集器——DIS软件（电脑）[2]。准备就绪后，开始实验：向锥形瓶内倒入一定量的活性炭，迅速塞紧橡皮塞，观察气体压强的变化情况。我们观察到压强数值逐渐变小，由最开始的100.7 kPa最终变为73.5 kPa左右，之后基本不再变化（图4）。利用DIS实验观察锥形瓶内气压变化的图像能够给学生较为直观的感受，最开始有一个陡降的过程，随后曲线变化趋于平缓，最后几乎保持不变。与此同时，还可以观察到锥形瓶内黄绿色气体消失，几乎呈无色。

为了进一步研究活性炭的吸附性，笔者请同学们查阅了相关资料，下表1列出了同温同压下，1 cm3活性炭所能吸附的常见气体的体积。

通过表中数据分析，不难发现：相对分子质量较大、沸点较高的物质的气体，较容易被活性炭吸附。像氯气、二氧化氮这样的物质相对分子质量较大，相应的它们的沸点也较高。相同条件下，活性炭吸附这些有毒气体的体积远大于氧气。因此，这也解释了防毒面具或活性炭口罩在吸附某些有毒气体时，对人体吸入氧气影响不大。我们也要注意，活性炭的吸附能力是有限的，吸附到一定程度后就会失去吸附能力，必须经过活化处理后才能重新使用。

通过上述两个实验，将活性炭的吸附性与气体压强变化联系在一起，运用定性与定量相结合的手段探究活性炭的吸附性，学生可以直观、全面认识活性炭的吸附性。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心编著.义务教育教科书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]韦存容，马宏佳.数字化实验研究竹炭、活性炭对甲醛等气体的吸附能力[J].化学教与学，2015（12）：95-98.

1978501705217