1检查装置的气密性
将一支连接玻璃导管的空试管看作“内部”,导管口(入水的那个口)以外的部分(包括烧杯和大气)看作“外部”。该导管口被看作压强平衡点。现将导管插入烧杯中的蒸馏水,猜测并实验液体进入导管的情况。
1,液面驻足导管口,未进入(图B);2,液体进入导管,内外液面持平(图C);3,导管内液面在1、2之间(图D)。(该试管不是气体发生器,也没被加热,图E不在讨论之列)
B.气内PK气外+液外
内部本来就是普通的空气,气内=气外,所以压内压外,水肯定要进入导管。
C.气内+液内PK气外+液外
液内=液外。在水进入的过程中,内部气体即受挤压(成了压缩空气),所以压内压外,导管内液面不可能那么高。
如果装置内部是漏气的,内外气压相等,内外液面自然等高。
D.肯定第3种情况符合实际。
气内气外;液外液内.结果是:压内=压外
我们把这种情况叫做“液高气短”,即液柱高的一方气压小,这才能与“液低气壮”的另一方形成压强平衡。
2喷泉实验
倒挂的圆底烧瓶a充满CO2气体,烧杯c中盛NaOH溶液。
将倒挂的烧瓶及其导管看作内部,导管下口(平衡点)以外的部分(包括烧杯和大气)看作外部。将导管插入溶液后(打开f,反应仍未开始),液面进入导管的高度应与前述“D”类似,即内部是液略低气略壮。将b中的NaOH溶液射入烧瓶后,CO2气体被NaOH溶液吸收,迅速削弱了烧瓶内部的“气壮”,内部液面升高,很快反转成内部液高气短,直至液面高过半球(如果CO2是纯净的,内部除水汽外接近真空,内部几乎全靠高液柱与外部大气压抗衡)。
“喷泉”现象其实就是液体被迅速“倒吸”的表现。如果要防倒吸,在导管口上方增接一个“大肚”容器即可,液体在大肚内聚集后会因为重力作用而下落,从而使倒吸中止。
3启普发生器
不妨将漏斗看作内部,底座(包括半球和球状两部分)看作外部。以漏斗下口为平衡点。
打开活塞,如果漏斗内装的是蒸馏水,蒸馏水下放后内外的液面应该是等高的(右图),因为内外的大气压是相等的。
实际盛的是盐酸,当盐酸液面在外部升高至接触大理石时,迅速产生密集的CO2,形成的气压明显高于漏斗上方的大气压,结果是使盐酸液面不能继续上升,形成了外部液低气壮的局面。
关闭活塞,CO2还在发生且无出路,球状皿中的气压迅即加大,迅速将外部的盐酸液面压低,直至脱离大理石(左图)。结果是加剧了外部的液低气壮。
4排水量气
将a导管和集气瓶看作内部,将b导管看作外部,b导管下口为压强平衡点。将发生的氧气从a管口通入,由于氧气的压强大于大气压,b管内水面上升,形成内部液低气壮、外部液高气短的局面,直至水从b管口不断溢出。鸠占鹊巢,排水体积大致就是氧气所占空间的体积。
但上述量气法中氧气的压强是高于大气压的。比较精确的测量方式是将a导管与储水瓶、量气管(水准管)相连。(见下图,以软管最低点为平衡点)
储水瓶与量气管间用软管联通,事先装入适量的水。测量前储水瓶与量气管液面持平(图A,假定量气管的读数为5.0)。自导管通入氧气后,储水瓶的液面有所下降,水准管的水面升为9.0(图B)。
问题一,这是否说明进入量气管的氧气就是4.0体积?
答:储水瓶一端液低气壮,氧气的压强高于大气压,常压下该氧气的体积应大于4.0。
问题二,为使内外气压相等,只能降低量气管的液面,使两个液面重新持平(图C)。那么,量气管的读数是否仍为9.0?
答:氧气的气压已降低至大气压,体积必然有所扩大,量气管的读数大于9.0。
5一些思考
化学实验装置中由于压强差造成气体或液体流动的实例很多。所谓压强差当然指的是两个压强之间的差值,但实践中多数学生不具备相应的“物理自觉”,不能自动将物理课中学过的压强理论用于化学实验现象,凭什么“检漏”、凭什么“倒吸”、凭什么“排水”,学生往往凭感觉,甚至全凭刷题获得的熟练来解题,一旦题目陌生就无从下手。毋庸讳言,不少教师对此也缺乏文化自觉,一堂标题为“实验装置中的压强差”的授课,其实基本不讨论压强和压强差,多为具体解题替代,好像所有答案都是约定俗成的,“你懂的”。
学生问不出到位的问题来,其实真正的问题是:究竟哪两个压强之间有差了,怎么去判断两者间的高低。那么,或左右、或上下、或内外,第一个着眼点应该是给装置中“两个压强”定一个界面(或称平衡点)。
也有些教师担心,如果将这堂课的教学重点放在压强差本身,会不会把化学课变成了化学物理课,从而更让学生惧怕。这就涉及“把复杂问题简约化、把抽象概念形象化”的教学基本功了。
常见的压强由液柱和液体(溶液)上方的气压叠加而成,两个压强之间的抗衡多见为“液高气短”PK“液低气壮”。“液高气短”四个字是我对本课题的简约化、形象化给出的idea。仅供参考。
§§图示:张慧琴
排版:教化学的闲杂人
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