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第11章 化学小实验(1)

神奇的罐头盒

操作难度:★★

实验方法:

一只空罐头盒,不与任何东西接触,怎么会响,又能自动地跳起来呢?可以通过下面的实验观察一下。

装一个简易的氢气发生器:在一只口径比较大的瓶子里放入十几颗锌粒(用干净的废电池皮也可以),然后配上一个带有弯玻璃管和漏斗的橡皮塞或软木塞,弯玻璃管用橡皮管和另一个玻璃管连接,漏斗要连接一个长度几乎能接触瓶底的玻璃管。

再做收集气体的准备工作:在一个用过的小铁罐头盒底部打一个毛衣针粗细的洞,用胶布粘住,装满水,倒放在盛满清水的盆子里,待用。

制取氢气时,从漏斗处向装有锌粒的瓶子倒入浓度为20%的稀硫酸(加入酸的量,以能浸没锌粒为妥)。也可以用氢化钙和水反应,制取氢气。为了收集纯净的氢气,必须尽量赶跑瓶中原有的空气。因此,在收集氢气之前,首先要检验其中是否混有空气。或者等反应约进行一分钟以后,再把玻璃管伸入罐头盒内。由于氢气在水中的溶解度非常小,所以它进入罐头盒内能把水排出。等罐头盒里的氢气收满以后,立即用玻璃片封住盒口,从水中拿出来,倒放在桌子上。

把氢气发生器移开后,就可以开始做实验了。

把封盒口的玻璃片抽开,再把罐头盒的一边用小木块垫高一些,让它稍微倾斜。立刻把粘在盒底部的胶布撕掉,接着,用火柴在小洞附近点火。因为氢气比空气轻(空气的比重是氢的14.38倍),它会通过小洞逸出,遇到火就会燃烧。这时就可以听到鸣叫声,而且声音越来越响,随后罐头盒也会开始跳动起来。有时会在发出一声鸣响后,罐头盒飞得很高。

为什么会发生上述现象呢?主要是因为氢气在不同的条件下,燃烧的情况不同。开始罐头盒里充满纯净的氢气,它与火及空气接触的部分就发生了燃烧,我们看见罐头盒底部的小洞处产生了淡蓝色的火焰。随着氢气的燃烧,罐头盒里的氢气数量减少了,空气从垫起来的开口处进入盒内。由于气体的扩散作用,氢气和空气就迅速地混合起来。当达到一定的比例时,洞口的火焰就能使盒内的混合气体燃烧。因为氢气和气体混合得均匀,这个燃烧进行得很快,出现爆炸现象,罐头盒的鸣叫声和跳动就是这种爆炸所引起的。如果混入的空气中的氧气体积和氢气体积之比恰好是2∶1时,爆炸的力量就最大,发出响亮的爆鸣声,罐头盒也会飞起来,有时会飞起1~2米高。

氢气里混有空气或氧气时,遇火就会发生爆炸。因此,在做氢气实验时,氢气发生器必须远离火焰;开始产生的氢气,必须进行纯度检验,证实氢气已达到纯净时,才可以进行氢气的收集和点火。

检验时,用排水取气法(或用向下排气法)把氢气发生器里放出来的气体收集在试管里。把试管移开,点燃试管里的气体,直到没有尖锐的爆鸣声为止。这一条必须严格遵守。

知识延伸:

氢气在工农业生产和国防建设上具有重要的用途。氢气和氮气在高温高压下能生成氨。氨是制造化学肥料的重要原料。氢氧按一定比例混合发生的火焰可以高达2500℃,在工业上往往用它来焊接钢板、铝板以及不含碳的合金。在冶金工业中,氢可用来冶炼纯度很高的钨和铬金属材料。高纯度的液态氢可作火箭的高能燃料。利用氢跟氧结合,把化学能直接转变为电能的氢氧燃料电池,已被用做宇宙飞船上的能源。从科学技术的发展看,氢将成为一种重要的新型燃料。此外,氢还可以和一氧化碳发生反应,产生合成汽油、甲醇等;它还能使脂肪氢化,从普通液态的油脂制造出人造猪油、牛油等。

摩擦结“冰”

操作难度:★★

实验方法:

取一个干净的试管,注入半管冷水,加入含有结晶水的硫酸钠晶体,用搅棒不断地搅拌,加到晶体不能再溶为止。然后再多加一些晶体,用热水温热使它全部溶解(温度不得超过32.4℃,因为含十个结晶水的硫酸钠在32.4℃以上即脱水,变成无水硫酸钠,无水硫酸钠的溶解度随着温度的上升反而减少)。最后,用纸片将试管口盖好(防止落入灰尘,影响实验效果),静止冷却。约一小时后,小心地将纸片取走,用玻璃棒剧烈地摩擦试管壁,你就会看见液体中有“冰块”析出来。

知识延伸:

原来并不是试管里结了冰,而是析出了硫酸钠晶体。为什么用玻璃棒摩擦试管壁就会析出晶体呢?

因为硫酸钠在室温下的水中,已经溶解到不能再溶的程度了,也就是达到了饱和状态。由于硫酸钠在32℃以下,溶解的数量随着温度的升高而增加,所以温热后,未溶的那部分硫酸钠也溶解了。它的浓度就比室温时大,这种溶液叫“过饱和溶液”。

过饱和溶液不如饱和溶液稳定(处于介稳定状态),它极易析出溶质转变为饱和状态。因为这个试管中硫酸钠的过饱和溶液,冷却得慢又没大的灰尘落入,更没有同晶体存在,所以它没有晶体析出。但当用玻璃棒摩擦试管壁时,可以促进晶核的形成,破坏溶液的过饱和状态,于是过量的硫酸钠便迅速地形成结晶析出,试管内就像气温骤然下降一样,结了“冰”。

我国有些内陆湖含有大量的碳酸钠,就是我们通常说的碱。在天冷时,从湖中析出大量的碱晶体,这就是由于温度降低使碳酸钠溶解度也降低的缘故。利用这个原理,还可以进行人工降雨,战胜旱灾。

热盐

操作难度:★

实验方法:

把一粒食盐拿在手中,并没有烫的感觉,热是从哪里来的呢?

然而,盐在一定条件下不仅可以产生“热量”,而且还能把雪融化了呢!

我们可以做个实验观察一下。

冬末,找一个用过的香脂盒盖,盛上雪后,放在外面(不要拿进室内)。

然后,往盒盖里的雪上边均匀地洒上精盐面。过一会儿,盒盖里的雪就融化了(室外气温在0℃左右效果更好)。奇怪,为什么没有热感的食盐,反倒能把冰冷的雪融化了呢?

知识延伸:

这是由于盐和雪的混合物的冰点,远远低于纯水的冰点的缘故。我们知道,纯水的冰点,在通常情况下为零度,可是食盐饱和溶液的冰点将近-21℃。雪是水以固态存在的一种形式,当它和食盐混合以后,这种食盐溶液的冰点,就不是0℃而大大低于0℃了,所以雪就融化了。

利用这个原理,在盛夏冰镇食物的冰块上撒一些食盐,冰点就会降低到-21℃。在工业上,可利用这个原理来做专业的冷冻剂。

食盐,一般都是通过蒸发海水而获得的。在我国内陆,有一个可以直接挖取食盐的盐湖。这个湖叫察尔汗湖,位于柴达木盆地。它最宽的地方有31千米,盐平均沉积厚度达30米,储量达250亿吨,可供全世界人口吃1000年以上。它平滑而宽敞,上面还可以跑汽车呢。

无火加温

操作难度:★★

实验方法:

一提起热,往往就使人们想到火焰。但在下面的实验中,温度就不是从火焰中获得的。

取一支小试管,注入5毫升室温水,放入一支实验用温度计。取一个酒杯,放入10克氢氧化钾,再倒入10毫升清水,然后把盛室温水的小试管放入酒杯中,温度计的水银柱就会很快地上涨。水温可以增加十几度。

10克氢氧化钾和10毫升水混合后,怎么就能使水温升高呢?原来氢氧化钾晶体溶于水时,它的固态分子机械地扩散到水里面以后,立刻和水分子发生水合作用。而这个化学过程是放热的,所以使整个溶液的温度升高了。

在热的传导作用下,小试管里的水温也就升高了。

知识延伸:

应该指出,并不是所有的固体物质溶解都放热,如硝酸铵、氯化铵等溶解在水中就是吸收热量的,能使水温降低。固体物质溶解是一个较复杂的过程,往往是吸热和放热两种反应都有。物质的溶解是个物质过程,物质的分子或离子向溶剂里扩散的运动是需要吸收热量的;但紧接着这个物理过程,就发生另一个过程,形成水合分子或水合离子的过程,这个过程叫化学过程,在这个过程中往往是放热的。那么,固体在溶解时到底是能使水温升高还是降低呢?这就要由固体在溶解过程中,是物理过程为主,还是化学过程为主来决定了。在上面这个实验中,氢氧化钾在溶解时,化学过程产生的热量大于物理过程吸收的热量,所以,能使水温升高;如硝酸铵等溶解时的物理过程所吸收的热量大于化学过程所放出的热量,就使水的温度降低了。

浊水变清

操作难度:★★

实验方法:

在河流入海的地方,常常有一些叫三角洲的陆地,这些陆地是怎样形成的呢?为了弄清这个问题,我们不妨做一个实验。

在一个茶杯中放入一些泥土和水,充分搅拌后,使其静止。待大颗粒沉淀后,把上层混浊的水倒入另一个茶杯中。然后把明矾(硫酸钾铝)研成粉末放到杯子里搅拌几下,过一会儿,原来浑浊的水就变得清澈透明了。

知识延伸:

原来水中的那些小泥土微粒(称“胶体”粒子)都带有负电荷,当它们彼此靠近时,由于静电斥力,总是使它们分开,没有机会结合成较大的颗粒沉淀下来,所以就会在很长时间内在水中悬浮,甚至几天也不能沉下来。当加入明矾后,明矾在水中发生化学反应,生成了一种白色的絮状沉淀物——氢氧化铝。氢氧化铝是带有正电荷的胶体粒子。当它与带负电荷的泥沙相遇时,正、负电荷就彼此中和。这样,不带电荷的颗粒就容易聚结在一起了,而且,聚结后颗粒越来越大,终于会克服水的浮力而沉入水底,水也就变得十分清澈了。

从这个道理中,我们就能解释河流入海处三角洲的成因了。河水里带有大量的泥沙,当它流入海口的时候,流速减慢了,大颗的泥沙就自动地沉下来,那些小颗粒的泥沙在海水中的食盐、硫酸镁等带正电荷的物质(电解质)的作用下,电荷抵消,变成不带电的颗粒而沉淀下去,天长日久,就变成了三角洲。

明矾和硫酸铝不仅有净化作用,它们也是工业上最重要的铝盐。比如,在造纸工业上可用做胶料,在印染工业上可用做媒染剂,明矾和硫酸铝也可用来配制灭火器溶液。

烧不断的麻绳

操作难度:★★

实验方法:

麻的主要成分是碳、氢、氧等元素。在加热时,借助于空气中的氧气,是很容易燃烧的。有什么办法能使它烧不断呢?

在一个空罐头瓶内加上热水,然后放入磷酸钾(磷酸钾、磷酸钠等可溶性的磷酸盐都可以),制成较浓(约30%)的溶液,再把1尺左右长、毛衣针粗细的新麻绳放在制得的溶液中浸透,取出后晾干。把晾干了的麻绳浸在浓度为3%的明矾(硫酸钾铝)溶液里,浸透后再取出晾干。这样,这根绳任凭你放在火上烧,怎么烧也不会断的。

知识延伸:

为什么麻绳浸过磷酸钾和明矾溶液以后就烧不断了呢?从上面的实验中我们知道,燃烧是一种比较常见的化学反应。在通常情况下,燃烧必须具备3个条件:①可燃性物质;②支持燃烧的氧;③达到着火点的温度。

因为磷酸钾和明矾都不是可燃性物质,它们不能支持燃烧。把麻绳浸在用这两种物质制得的溶液里,磷酸钾和硫酸钾铝的分子就沉积在纤维的外面,形成一种保护层,把易燃的炭、氢、氧组成的纤维素和空气隔开,火焰也不能直接接触它,用火去点时就不再燃烧,当然也就烧不断了。

硅酸盐比磷酸盐耐热性更高,性能更好。石棉就是由钙、镁、铁等硅酸盐类制成的,它的耐热能力在1000℃以上。在古代,我国劳动人民就学会了用石棉制成纺织品。据传说汉桓帝(147~167年在位)时,有一个叫梁翼超的大将军,他有一件非常漂亮的“宝衣”,不用水洗,专用“火浣(读作huàn)”。一次,在宴会上油渍弄脏了他这件“宝衣”,他就当众把衣服脱下来,放在炭盆中。过一会儿拿出来,衣服上的油渍就不见了,但衣服却完好无损。实际这件衣服就是用石棉做成的。

石棉的用途很广,可是1920年以前,人们还只会把石棉制成纺织品。最近人们才用石棉代替钢筋制成石棉水泥,广泛地应用在建筑材料上。

在一些要求耐高温、防火等方面的生产中,也大量使用石棉。

用蜡烛制硫化氢

操作难度:★★

实验方法:

取一支试管,配上一个带尖嘴玻璃管的橡皮塞,在试管中加入1克硫黄粉和1克石蜡(可将小段蜡烛切碎),把试管放在酒精灯火焰上加热,即产生硫化氢气体。

在玻璃管的尖嘴处把硫化氢气体点燃,它的火焰是蓝色的。如果用一张湿的蓝色石蕊试纸放在火焰上方(不接触火焰),蓝色试纸就会变红,说明硫化氢气体燃烧后,产生的气体具有酸性。

如果将一支试管放在硫化氢的火焰上(试管的外壁与火焰接触),不久,你就会看到试管的外壁上出现了一层黄色的固体。

上面两个实验中发生了什么化学反应呢?我们知道,当硫化氢气体在空气中燃烧时,如果空气是充足的(第一种情况),就产生二氧化硫和水:

2H2S+3O2=2SO2↑+2H2O

二氧化硫溶于水生成亚硫酸,能使蓝色的石蕊试纸变红。

如果空气不足时(第二种情况),它只能把硫化氢氧化。

知识延伸:

为什么可以用石蜡制作硫化氢呢?原来,石蜡是固态石蜡烃的混合物,凡士林是液态和固态石蜡烃的混合物,它们都是由碳和氢组成的。把硫黄与石蜡(或凡士林)放在一起加热,就会产生硫化氢气体。硫黄、石蜡和凡士林都是很容易得到的,所以用这种方法制硫化氢是很简便的。

变色字画

操作难度:★★

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