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  • 改进乙炔演示实验的意外收获及理论浅析

    日期:2004-03-30  地址:  作者:
      

    现行各种高中教材中关于乙炔性质的演示实验中,都用分液漏斗控制水的流速来控制反应速度,但其反应剧烈产气速度快,总迫使教师一次性将乙炔的所有性质实验一气做完,才能开始讲解其性质,达不到边讲边实验来验证其性质的目的。即使按教材小字注释用饱和食盐水代替水与CaC2反应,其效果仍不理想。注释的意图是NaCl溶解度较大,饱和溶液中分散了较多的Na+、Cl-,减少了水与CaC2的接触机会而达到得平稳乙炔气流之目的,但效果并不理想。能否进一步减慢其反应速度延长反应时间以达到边讲边实验之目的呢?查手册得知:常见药品中溶解度既大、且等质量药品电离的离子数目又多又不与CaC2反应的只有NaOH,能更大程度分散溶液中的H2O分子。20℃时,NaCl的溶解度为36.0g,即100mL水配成的饱和溶液分散的Na+、Cl-共约2mol,此时NaOH的溶解度为109克,100mL配成的饱和溶液可分的Na+、OH-共109/40×2mol=5.45mol,据此可知其饱和溶液与CaC2反应的效果远较饱和食盐水好,为此我们用它代替饱和食盐水做了如下改进:

    将配成的不同浓度的NaOH溶液冷至室温

    反应容器按新教材使用250mL烧瓶,不用分液漏斗,使用单孔塞,一次性将CaC2投入烧瓶中,再加入NaOH溶液,数据如下:

    CaC2质量

    NaOH溶液的质量分数

    溶液体积

    气流情况

    反应时间

    3g

    饱和:约52%

    20mL

    反应极慢,少许气泡,不能形成连续气流

    长时间反应不完,气体不能点燃

    3g

    27%

    20mL

    反应很慢,气流平稳

    点燃气体,火苗较小,30分钟,仍有少量固体未反应完

    3g

    20%

    20mL

    反应较慢,气流平稳

    点燃气体达22分钟

    3g

    16%

    20mL

    反应适中,气流平稳

    点燃气体持续16分钟

    结论:用16%左右的NaOH溶液与CaC2反应,一次性投入烧瓶(不能分液漏斗)能达到较为满意的效果,反应时间足以完成边讲边实验:点燃气体时只需稍稍摇动烧瓶,可观察到大量黑烟。而称取5g CaC2用饱和食盐水一次投入烧瓶后,10分钟后气体的便不能点燃。

    反常现象及意外的发现:经查手册换算得知:16%的NaOH溶液中:C(NaOH)≈4.8mol/L,n(Na+)+n(Cl-)=9.6mol/L,而饱和食盐水中:C(NaCl)≈9mol/L,n(Na+)+n(Cl-)=18mol/L。从中可看出NaCl溶液中H2O与CaC2接触的机会较NaOH溶液多得多,为什么与同质量同块状(一粒)面积几近相同的CaC2后者反应速度反而快得多呢?

    理论浅析:我们认为主要可能是以下三点导致的反常:

    1.NaOH溶液的粘度系数较饱和NaCl溶液大得多,导致其中H2O分子运动速度比后者要慢得多而使其与CaC2接触的机率减小。

    2.NaOH溶液中的[OH-]为4.8mol/L,饱和食盐水中仅为10-7mol/L,使Ca(OH)2的溶解度更小(仅管Ca(OH)2是微溶物),使CaC2表面生成的Ca(OH)2进一步减缓了NaOH溶液中H2O分子与CaC2的反应。

    3.16%的NaOH溶液中[H+]=Kw/[OH-]≈2.1×10-15mol/L,饱和NaCl溶液中[H+]=10-7mol/L,前者远小于后者,也是其反常原因之一。

    ①所有数据均取自《中学教师化学手册》刘知新主编《科学普及出版社》1981.7。

    ②第一作者第成都14赴康定中学支教教师。

     


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