全面解析噴泉實(shí)驗(yàn)的原理及其應(yīng)用

1、全面解析噴泉實(shí)驗(yàn)的原理及其應(yīng)用噴泉實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中具有相當(dāng)重要的地位。其實(shí)驗(yàn)的要求是：裝置氣密性良好；所用氣體能大量溶于所用液體或氣體與液體快速反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)的基本原理是使燒瓶內(nèi)外在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)差，利用大氣壓將燒瓶下面燒杯中的液體壓入燒瓶內(nèi)，在尖嘴導(dǎo)管口形成噴泉。 噴泉實(shí)驗(yàn)的物理推導(dǎo)原理如下：如右圖1所示，在干燥的圓底燒瓶里充滿氨氣，用帶有玻璃管和滴管(滴管里預(yù)先吸入水)的塞子塞緊瓶口，立即倒置燒瓶,使玻璃管插入盛有水的燒杯里(水里事先加入少量的酚酞試液),如圖安裝好裝置。打開橡皮管的滴頭,使少量水進(jìn)入燒瓶,氨氣溶于水使瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速下降,當(dāng)瓶內(nèi)壓強(qiáng)下降到一定程度時(shí),外界大氣

2、壓就將燒杯內(nèi)的水壓入燒瓶,形成噴泉。假設(shè)燒瓶的容積為250 mL,玻璃管長35 cm,膠頭滴管中可擠出0.5 mL水,那么氣體在水中的溶解度多大時(shí)才能形成噴泉呢?  要使水通過玻璃管噴入燒瓶形成噴泉,瓶內(nèi)外壓強(qiáng)差必須超過一個(gè)特定的值。設(shè)大氣壓為P0,35 cm水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)為P1,形成噴泉時(shí)燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)為P,要使水柱噴入瓶內(nèi),要求P<P0-P1.一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相當(dāng)于10.34 m水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng),則P<P0-P1=10.34 m水柱-0.35 m水柱=9.99 m水柱。根據(jù)波意爾定律,當(dāng)壓強(qiáng)由10.34 m水柱變?yōu)?.99 m水柱時(shí),氣體的體積由250 mL變?yōu)閂,

3、=,V=241.5 mL,即燒瓶內(nèi)氣體體積至少減少 250 mL-241.5 mL=8.5 mL.故當(dāng)?shù)喂軆?nèi)0.5 mL水?dāng)D入燒瓶后如能溶解8.5 mL 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體,即1 mL水溶解多于17 mL氣體時(shí),就能形成噴泉。NH3、HBr、HCl、HI、SO2、NO2等氣體的溶解度均大于17,在水中都能形成噴泉。CO2、H2S、Cl2等氣體在水中不能形成噴泉,但在NaOH溶液中可以形成噴泉。 根據(jù)其原理進(jìn)行拓展還可以探討噴泉實(shí)驗(yàn)的多種應(yīng)用。            

4、                                                  一、根據(jù)實(shí)

5、驗(yàn)裝置進(jìn)行的條件拓展 例1、制取氨氣并完成噴泉實(shí)驗(yàn)(圖2中夾持裝置均已略去)。  (1) 寫出實(shí)驗(yàn)室制取氨氣的化學(xué)方程式: _。(2) 收集氨氣應(yīng)使用_法，要得到干燥的氨氣可選用_做干燥劑。(3) 用圖(a)所示的裝置進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)，上部燒瓶已裝滿干燥氨氣，引發(fā)上述噴泉的操作是_。該實(shí)驗(yàn)的原理是_。(4)如果只提供如圖(b)的裝置，請說明引發(fā)噴泉的方法。   答：_。解析：因做噴泉實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵是：使氣體與溶劑接觸。 是使燒瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速減小造成內(nèi)外壓差比較大即可發(fā)生噴泉現(xiàn)象。 根據(jù)這兩點(diǎn)可回答第兩問的問題。答案：   (1

6、)    2NH4Cl+Ca(OH)22NH3+CaCl2+2H2O(2) 向下排空氣 堿石灰(3) 打開止水夾，擠出膠頭滴管中的水。氨氣極易溶解于水，致使燒瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速減小。(4) 方法一、打開夾子，用手(或熱毛巾等)將燒瓶捂熱，氨氣受熱膨脹，趕出玻璃導(dǎo)管內(nèi)的空氣，氨氣與水接觸，即發(fā)生噴泉；方法二、燒瓶上覆蓋冷毛巾或淋灑冷水，使燒瓶內(nèi)溫度降低，壓強(qiáng)減小，從而引發(fā)噴泉；方法三、在燒瓶上涂抹無水乙醇，由于乙醇揮發(fā)帶走熱量使燒瓶內(nèi)溫度降低，壓強(qiáng)減小，引發(fā)噴泉。 二、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行的問題拓展  例2、某同學(xué)用HCl氣

7、體做噴泉實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴入燒瓶內(nèi)的水不足燒瓶容積的1/3，其原因不可能是（   ）。    （A）燒瓶潮濕                （B）裝置氣密性不好（C）水里沒有加石蕊試液     （D）燒瓶內(nèi)未集滿HCl 解析：噴泉實(shí)驗(yàn)失敗的原因很多，要弄清本質(zhì)進(jìn)行大膽假設(shè)。很明顯（A）（B）（D）都能使噴入燒瓶內(nèi)的水不足燒瓶容積的1/3，所以答案為（C）。 

8、;三、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行的操作拓展例3、如圖3所示，甲學(xué)生在燒瓶中充滿O2，并在反匙燃燒匙中加入一種白色固體物質(zhì)，欲做O2的噴泉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始，用凸透鏡將日光聚焦于反匙燃燒匙中的固體，燃燒匙內(nèi)出現(xiàn)一陣火光和白煙。等一會兒，打開橡皮管上的止水夾?？吹接忻利惖膰娙l(fā)生。請問他在反匙燃燒匙中加入了什么物質(zhì)?            解析：綜合分析上述實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象，結(jié)合噴泉實(shí)驗(yàn)的原理，我們會很容易想到反匙燃燒匙中加入的物質(zhì)是白磷。白磷與燒瓶內(nèi)的O2反應(yīng)生成P2O5固體，使燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小

9、。打開止水夾后燒杯中的水被壓入燒瓶內(nèi)形成噴泉。 四、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的生成物進(jìn)行的原理拓展   例4、如圖4裝置，實(shí)驗(yàn)前a、b、c活塞均關(guān)閉。若要在該裝置中產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象，該怎樣操作？若想在該裝置中產(chǎn)生雙噴泉現(xiàn)象，該怎樣操作？      解析：擠壓膠頭滴管，滴管中的水溶解右瓶中的部分NH3使瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小。打開活塞a、b，左瓶中的HCl進(jìn)入右瓶生成NH4Cl固體而產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象。若此時(shí)打開活塞c，則燒杯內(nèi)的水會壓向左右兩個(gè)燒瓶，在左瓶中產(chǎn)生紅色噴泉，在右瓶中產(chǎn)生藍(lán)色噴泉。 五、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)物進(jìn)行的操作拓展 例5、把充滿乙烯

10、的圓底燒瓶用帶有尖嘴導(dǎo)管的橡皮塞塞緊，按圖5安裝好儀器。怎樣操作會引發(fā)噴泉？   解析：松開彈簧夾A，通過導(dǎo)管C向盛溴水的錐形瓶中鼓入空氣，使約10 mL溴水壓入燒瓶，再把彈簧夾A夾緊。振蕩燒瓶，溴水很快褪色，有油狀物生成，燒瓶內(nèi)形成負(fù)壓。松開彈簧夾A，溴水自動噴入。噴入約10 mL溴水后，再把彈簧夾A夾緊，振蕩燒瓶，溴水又很快褪色。如此重復(fù)操作幾次。當(dāng)噴入的溴水顏色不能完全褪盡時(shí)，說明燒瓶中的氣體已經(jīng)完全反應(yīng)。松開彈簧夾B，讓蒸餾水噴入燒瓶也可形成噴泉。只要反應(yīng)完全，液體幾乎可充滿整個(gè)燒瓶。 六、根據(jù)生成物濃度進(jìn)行的計(jì)算拓展 例6、標(biāo)準(zhǔn)狀況下兩個(gè)等體積

11、的干燥燒瓶中分別充滿NH3NO2，進(jìn)行噴泉實(shí)驗(yàn)，經(jīng)充分反應(yīng)后燒瓶內(nèi)溶液的物質(zhì)的量濃度為（   ） 。（A）（B）（C）（D）無法確定解析：設(shè)燒瓶的體積為V L，則充滿NH3后氣體的物質(zhì)的量為mol。發(fā)生噴泉現(xiàn)象后，燒瓶將充滿溶有NH3的溶液，即溶液的體積為VL，所以燒瓶內(nèi)溶液的物質(zhì)的量濃度為mol/L。設(shè)燒瓶的體積為VL，則充滿NO2后氣體的物質(zhì)的量為mol。發(fā)生如下反應(yīng)：3NO2+2H2O=2HNO3+NO，反應(yīng)后生成HNO3的物質(zhì)的量為mol。由于剩余V L NO氣體，所以燒瓶中溶液的體積為V L，因此燒瓶內(nèi)溶液的物質(zhì)的量濃度也為mol/L。所以答案選（C）。 

12、;七、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行反向思維拓展例7、如圖6裝置，在錐形瓶中加入足量的下列物質(zhì)，能產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象的是（）        （A）碳酸鈉和稀鹽酸 （B）氫氧化鈉和稀鹽酸   （C）銅和稀硫酸 （D）硫酸銅和氫氧化鈉溶液解析：碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)能產(chǎn)生大量的CO2氣體使錐形瓶內(nèi)的壓強(qiáng)增大，從而將反應(yīng)混合物壓入燒瓶。也能形成噴泉。所以答案選（A）。如圖7裝置，在錐形瓶外放一個(gè)水槽，瓶中加入酒精，水槽中加入冰水后，再加入足量的下列物質(zhì)，產(chǎn)生了噴泉，問水槽中加入的物質(zhì)可以是（   ）。（A）濃硫酸（B）食鹽（C

13、）硝酸鉀（D）硫酸銅解析：濃硫酸溶于水放熱，可使錐形瓶內(nèi)的酒精部分氣化而使錐形瓶內(nèi)壓強(qiáng)增大，將酒精壓入燒瓶形成噴泉。答案為（A）。   八、根據(jù)噴泉原理進(jìn)行的遷移拓展 例8、如圖8所示，錐形瓶內(nèi)盛有氣體X，滴管內(nèi)盛有液體Y。若擠壓滴管膠頭，使液體Y滴入錐形瓶中，振蕩，過一會兒，可見小氣球a鼓脹起來。氣體X和液體Y不可能是（  ） 。（A）NH3      H2O （B）SO2    NaOH溶液（C）CO2    6 mol/L H2SO4溶液（D）HCl    6 mol/L Na2SO4溶液      解析：當(dāng)?shù)?/p>