噴泉實驗

噴泉實驗是中學化學教學中的一個演示實驗，高一化學教材在講到氨的性質時，安排了噴泉實驗。

由於噴泉實驗的趣味性強，直觀效果好，如今已超越教材中安排的噴泉實驗的範圍，演變成一系列的噴泉實驗。

基本介紹

• 中文名：噴泉實驗
• 產生機理：克拉伯龍方程
• 實驗關鍵：燒瓶不能漏氣等
• 發生實例：極易溶於水的氣體和其他等

現象描述

氣體在液體中溶解度很大，在短時間內產生足夠的壓強差(負壓)，則打開活塞後，大氣壓將燒杯內的液體壓入燒瓶中，在尖嘴導管口形成噴泉。

產生機理

根據克拉伯龍方程(也稱理想氣體狀態方程)：PV=nRT，推出P=(nRT)/V (R為常數)。

要使P變小，可改變n、T、V中的一個變數。

所以減小氣壓的方法有三種：①減少氣體的物質的量(n)；②降低氣體的溫度(T)；③增大氣體的體積(V)。

減少氣體的物質的量有兩種方法：物理方法與化學方法。

物理方法可把氣體抽走或物理溶解，化學方法可通過化學反應或化學溶解；降低氣體的溫度，我們可以採用冷水澆注或用濕毛巾放於瓶底，也可以把裝置轉移入較低溫的環境；而增大氣體的體積，可以採取，升高溫度（如：用熱水澆注或熱毛巾放於瓶底）或改變容器的體積的方法。

對於用化學方法來減少氣體的物質的量的方法又和氣體的溶解度、吸收液的種類有關。

①氣體溶解性大小會對噴泉的形成產生影響。如，易溶於水的氣體、在水中溶解度不大的氣體、難溶於水的氣體；由於它們在水中的溶解度不一樣，從而就使得壓強的減少不一樣，是噴泉能否產生以及噴泉大小的關鍵。

②吸收液的種類也會對噴泉的形成產生影響，不同的吸收液，與氣體之間能否反應、氣體在其中溶解度的大小，都決定了噴泉實驗的成功與失敗。

實驗關鍵

通過分析噴泉實驗的原理和條件，我們總結出了噴泉實驗成功的關鍵是：

①盛氣體的燒瓶必須乾燥，否則甁中有液體，會使瓶口留下空氣，形成的噴泉壓力不大（噴泉“無力”）

②氣體要充滿燒瓶；

③燒瓶不能漏氣（實驗前應先檢查裝置的氣密性）

④所用氣體能大量溶於所用液體或氣體與液體快速反應。

發生實例

極易溶於水的氣體

可設計成噴泉實驗

氨氣(NH₃)和氯化氫(HCl)氣體均極易溶於水。1體積的水常溫下大約分別能溶解700體積的氨氣和500體積的氯化氫氣體。因此,氨氣和氯化氫氣體溶於水的實驗可設計成噴泉實驗。

氣態物質發生化學反應生成固態或液態物質的反應可設計成噴泉實驗

氯氣跟氫氧化鈣的反應

在500ml圓底燒瓶里收集滿氯氣(Cl₂),加入約10g氫氧化鈣(Ca(OH)2),塞緊帶尖嘴的玻璃管的膠塞。小心搖動燒瓶,使氯氣跟氫氧化鈣充分反應後,將玻璃管插入盛有紅顏色水的燒杯中,打開玻璃管上的止水夾,燒瓶內即出現美麗的噴泉。

反應方程式:

2Cl₂+2Ca(OH)₂=Ca(ClO)₂+CaCl₂+2H₂O

二氧化氮跟水反應

在500ml燒瓶內加入10ml濃硝酸(HNO₃),再放入一小塊銅片。待反應產生的紅棕色二氧化氮(NO2)氣體趕盡空氣充滿整個燒瓶時,立即用尖嘴下綁有一團浸濕水的棉團的玻璃管的膠塞塞緊燒瓶瓶口,並將燒瓶固定在鐵架台上,將玻璃管插入盛有紫色石蕊試液的燒杯中(裝置如圖2)。打開玻璃管上的止水夾,輕輕搖動燒瓶,即可產生美麗的紅色噴泉。

圖2

反應方程式:

Cu+4HNO3(濃)=Cu(NO3)₂+2NO₂↑+2H₂O

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO

二氧化碳跟氫氧化鈉反應

在500ml燒瓶中收集滿二氧化碳(CO2)氣體,小心地加入10ml40%的氫氧化鈉(NaOH)溶液,立即用帶玻璃尖嘴管的膠塞塞緊(或不加氫氧化鈉溶液而直接在尖嘴玻璃管上綁浸有氫氧化鈉溶液的棉團)。輕輕搖動燒瓶,待充分反應後,打開插入盛有紅色水溶液燒杯中玻璃管上的止水夾,即可形成噴泉。

反應方程式:CO₂+2NaOH==Na₂CO3+H₂O

氯氣跟甲烷的取代反應

向500ml的燒瓶中先通入氯氣(Cl₂),再通入甲烷(CH4),塞緊帶尖嘴玻璃管的膠塞,將玻璃管插入盛有水的燒杯中。用200W電燈泡在反光鏡配合下照射燒瓶2~3分鐘,打開玻璃管上的止水夾,即可形成噴泉。實驗完畢後,在燒瓶內液面上出現油層。

反應方程式:CH₄+Cl₂=CH₃Cl+HCl

CH3Cl+Cl₂=CH₂Cl₂+HCl

紅磷在氧氣中燃燒的反應

用500ml圓底燒瓶排水法收集滿氧氣(O2)。在帶玻璃尖嘴管的膠塞上插入燃燒匙,燃燒匙內放少量紅磷(P)。將燃燒匙放在酒精燈火焰上加熱,待紅磷燃燒後,迅速將燃燒匙伸入圓底燒瓶內,並將燒瓶口用膠塞塞緊(裝置如圖3)。等反應完成,燒瓶逐漸冷卻後,將燒瓶倒置固定在鐵架台上,玻璃管伸入盛有紫色石蕊試液的燒杯中。打開玻璃管上的止水夾,即可形成美麗的紅色噴泉。

圖3

反應方程式:4P+5O₂=(點燃)=2P₂O₅

氯化氫與氨氣的反應

用500ml乾燥的圓底燒瓶收集滿氨氣(NH3),瓶口用帶玻璃尖嘴管的膠塞塞緊,玻璃管的另一端通過單孔膠塞插入盛有濃鹽酸(HCl)的塑膠瓶中(裝置如圖4)。打開玻璃管上的止水夾,用手擠控塑膠瓶,使塑膠瓶中的氯化氫氣體通過玻璃尖嘴進入圓底燒瓶內與氨氣接觸,即可形成白色的噴煙。

圖4

反應方程式:NH₃+HCl= NH₄Cl

3 液態物質與固態物質反應生成氣態物質的反應可設計成噴泉實驗

二氧化錳催化分解過氧化氫放出氧氣的反應

取兩支具支試管,用乳膠管將兩支管連線起來。在一支試管內放入少量的二氧化錳(MnO₂),管口用帶分液漏斗的膠塞塞緊,分液漏斗中裝10%的過氧化氫(H₂O₂)溶液。另一支試管內裝約2/3體積的紅色溶液,管口用帶玻璃尖嘴的膠塞塞緊,玻璃管的另一端插入試管內溶液的底部(裝置如圖5)。打開分液漏斗的旋塞,一次性放入一定量的過氧化氫溶液,然後關閉分液漏斗。過氧化氫分解放出的氧氣進入另一試管,將試管內紅色溶液壓出形成紅色噴泉。

反應方程式:2H₂O₂=(MnO₂)=2H₂O+O₂↑

金屬鈉跟水的反應

取一支大試管,管內盛約3/4體積滴加酚酞試液的水溶液。在試管內投入一小塊金屬鈉(Na),立即用帶玻璃尖嘴的膠塞塞緊管口。鈉與水反應放出氫氣,將溶液通過尖嘴壓出形成紅色噴泉(裝置如圖6)。

反應方程式：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑