由喷泉实验引发的思考

十大菠菜导航网址  杨斌

1.引言

通过实验考查创新意识，是高考理科综合考试的命题特点和发展趋势。从近几年的高考实验试题来看，以课本实验为基础，对实验进行拓展和深化，在正确理解实验原理的基础上考查学生的创新意识是高考的一大命题特点。因此，在总复习过程中，重视对常规课本实验的复习，并在此基础上对实验进行深层次的剖析和探究来培养学生的创新能力，显得十分重要。下面以此思路谈谈喷泉实验的复习。

2.教材实验的总结

回顾课本上用氨气做过的喷泉实验，不难总结出用该装置能形成喷泉的原因。只要从滴管挤入的液体或溶液，能将烧瓶内的气体大量溶解或与之反应，使烧瓶内气体大量减少，造成烧瓶处于低压状态，此时打开弹簧止水夹，烧瓶内的液体或溶液将受大气压的影响迅速涌入烧瓶内，形成美丽的喷泉。

做好喷泉实验必须注意下列问题（以氨气为例）

整个实验装置要求密闭性好、不漏气，这是气体实验的基本要求。收集氨气的圆底烧瓶必须绝对干燥，这是因为氨气极易溶于水，不干燥的烧瓶由于氨气的溶解使实验难于成功。烧瓶中的氨气必须充满并尽可能做到随用随制，保证烧瓶中有足够的气体。玻璃尖嘴的孔大小适度，太大喷出来的水太慢不利于形成喷泉；太小，喷出来的水太急，喷泉现象也不明显。

例1：都能用图右所示装置进行喷泉实验的一组气体是

A  HCl和CO₂    B  NH₃和CH₄　　　　　　　　

C  SO₂和CO     D  NO₂和NO　　　

解析：此题意在考查对喷泉实验形成的根本原因的认识。A中HCl极易溶于水，CO₂能完全溶于NaOH溶液中：CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂0或CO₂ + NaOH = NaHCO₃；B中NH₃极易溶于水，但CH4难溶于水；C中SO₂能完全溶于NaOH溶液中：SO₂ + 2NaOH = Na₂SO₃ + H₂O或SO₂ + NaOH = NaHSO₃，但CO难溶；D中NO₂能完全溶于NaOH溶液中；2NO₂ + 2NaOH = NaNO₃ + NaNO₂ + H₂O，但NO不溶；故本题答案为A。

例2：如右图，同温同压下，两个等体积的干燥圆底烧瓶中分别充满①NH₃ ②NO₂，进行喷泉实验。经充分反应后，瓶内溶液的物质的量浓度为

A  ①＞②                B ①﹤②           

C  ①=②                D 不能确定

解析：设NH₃和NO₂的体积为V L（标准状况），氨水全部充满烧瓶，则物质的量浓度C(NH₃) = V/22.4∕V = 1/22.4 moL/L。 NO₂有V/3 L转化为NO气体留在烧瓶中，则 C(HNO₃) = V×2/3∕22.4∕2V/3 = 1/22.4 moL∕L。其实，从此例计算可知，喷泉实验后形成的溶液的物质的量浓度与是否收集满的程度无关。标准状况下，氨气、卤化氢等形成的溶液物质的量浓度为0.045moL/L。

3.教材实验的拓展

要形成喷泉，则必有P(瓶内气)＋P(水柱)﹤P(大气压)，即瓶外压强与瓶内压强差△P﹥P（水柱）。要使喷泉现象明显，须使△P足够大，而增大△P的途径有两种：减小瓶内压强或增大瓶外压强。示意如下：

喷泉（效果明显）← △P（增大）← 减小瓶内压强或增大瓶外压强。

例3：如图（左）为化学教学中用的喷泉实验装置，在烧瓶中充满干燥气体，胶头滴管及烧杯中分别盛有液体。

（1）下列组合中不可能形成喷泉的是

A HCl和H₂0    B 0₂和H₂0

C NH₃和H₂O    D CO₂和NaOH溶液

（2）某同学积极思考产生喷泉的其他办法，并设计如图（右）所示装置　

①在图（右）的锥形瓶中，分别加入足量的下列物质，反应后可能产生喷泉的是

A Cu与稀盐酸      B NaHCO₃与NaOH溶液

C CaCO₃与稀硫酸    D NH₄HCO₃与稀盐酸　

②在图（右）的锥形瓶外一水槽，锥形瓶中加入酒精，水槽中加入冷水后，再加入足量的下列物质，结果也产生了喷泉。水槽中加入的物质可以是

A 浓硫酸　　B　食盐　　C　硝酸钾　　D　硫酸铜

这种方法产生喷泉的原理是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

③比较上图两套装置，从产生喷泉的原理来分析，左图是　　　上部烧瓶内的压强；右图是　　　下部锥形瓶内气体压强（填“增大”或“减小”）。

（3）城市中常见的人造喷泉及火山爆发的原理与上述     （图左或图右）装置的原理相似。

解析：本题属学科内综合题。第（2）题设计了两组实验，虽然都能形成喷泉，但原理各有所异。第①题的四个选项，既是对常见气体制备方法的一个概括，又是对形成喷泉原理的一个深化；第②题在形成喷泉原理虽然与第①题是相通的，但命题者却把浓硫酸的吸水性与酒精的挥发性巧妙地融合于这个喷泉实验之中，于是便产生一个戏剧性的效果：浓硫酸溶于水时放出大量的热，温度升高，酒精挥发加快，锥形瓶内压强增大，从而形成喷泉。第③题是对形成喷泉的可能原因进行了归纳与总结：左图装置是因为上部烧瓶内气体压强突然减小而产生压强差形成喷泉；右图装置恰恰相反，是因为下部锥形瓶内气体压强增大而产生压强差形成喷泉。第（3）题设置起到了画龙点睛的作用，命题者把考生视觉引向生活与自然界中的现象，让考生运用前两题所给信息原理解释生活中的“人造喷泉”、大自然中的“火山爆发‘等现象。

本题答案为：（1）B   （2）① D  ② 浓硫酸溶于水放热，温度升高，酒精挥发加快，锥形瓶内气压增大。③　减小　增大　（3）图右

例4：制取氨气并完成喷泉实验（图中夹持装置均已略去）

（1）用左图装置进行喷泉实验，上部烧瓶已充满干燥氨气，引发水上喷的操作是　　　　　　　　　　　　　

（2）如果只提供右图的装置，请说明引发喷泉的方法？

解析：该实验以喷泉实验为背景命题，其中（2）问说明引发喷泉的方法，答案不唯一，是一个开放性设问。左图是教材中的原图，右图去掉了原有的胶头滴管，创设了新情景，要求学生在已经掌握了喷泉实验原理的基础上，说明右图装置引发喷泉的实验方法，学生必须想出办法让氨气与水接触，问题才能迎刃而解。本题是考查逆向思维和创新能力的好题。

答案：（1）打开止水夹，挤出胶头滴管中的水。氨气极易溶于水，致使烧瓶内气体压强迅速减小。

（2）打开夹子，用手（或热毛巾）将烧瓶捂住，氨气受热膨胀，赶出玻璃导管内的空气，氨气与水接触，即发生喷泉。（或采取使烧瓶降温的方法）。

4.跨学科综合

喷泉实验是中学化学中利用物理知识解决化学问题的典型事例，可联系物理学知识进行定量分析，培养跨学科综合能力。

例5：右图中，烧瓶已充满某种气体，气体体积为1000mL（273K，101325Pa），直导管长60cm，导管进入烧杯中水面下12cm，（假设烧杯中有足够的水，水面的下降高度忽略不计），气体的溶解度在273K，101325Pa时为1：40，实验开始时胶头滴管先向烧瓶中挤入1mL水，通过计算确定：

(1) 能否看到喷泉现象？假设压强的微小变化对气体的溶解度的影响忽略不计。

(2) 若不能看到喷泉，设直导管长为L，其他条件不变，要产生喷泉，L的最大值是多少？

(3) 若不能看到喷泉，设气体在上述条件下的溶解度为1：V，其他条件不变，要产生喷泉，V的最小值为多少？

(4) 某学生用氨气和水去做喷泉实验，结果实验失败，试分析实验失败的可能原因。

解析：本题巧妙地与物理学科知识结合起来，运用跨学科知识解决实际问题。

(1) 273K，101325Pa时1mL水最多能溶解40mL气体，容器内压强减至P* = 101325×（1000-40）/1000 Pa，内外压强差△P=Po - P*=101325-101325×（1000-40）/1000 =4053Pa，导管内水柱高48cm，P（水）= pgh = 1×10³×9.8×48×10^-2=4704Pa, △P﹤P（水）,所以不能看到喷泉现象。

(2) 根据以上分析要产生喷泉必须 △P﹥P（水）

即4053﹥1×10³×9.8×（L-12）×10^-2 ，解得L﹤53.3cm

(3) 设273K，101325Pa时1mL水能溶解VmL气体，要产生喷泉必须△P﹥P（水），即101325-101325×（1000-V）/1000﹥4704  解得V﹥46.4Ml

（4）分析实验失败可能原因需要大胆假设，在理解的基础上创新，比如有：烧瓶潮湿；塞子漏气；烧瓶内氨气量少；滴入烧瓶水太少，导管偏长等等。