氣體壓強與化學(xué)實驗

李天輝

化學(xué)是一門以實驗為主的自然科學(xué)。化學(xué)實驗的成敗直接影響著課堂教學(xué)效果和科學(xué)研究的順利展開。中學(xué)階段我們所進(jìn)行的化學(xué)實驗基本上都是在大氣環(huán)境中進(jìn)行的，大氣壓強對實驗的進(jìn)行和結(jié)果產(chǎn)生比較明顯的影響，如果能夠有效地控制和利用氣體壓強，不但有助于實驗的順利進(jìn)行，往往還會產(chǎn)生意想不到的奇特效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情。

一、利用氣體壓強檢查裝置氣密性

氣密性檢查是氣體制備和進(jìn)行氣體實驗前必不可少的一個實驗環(huán)節(jié)，可以幫助提高實驗的準(zhǔn)確性，通常是在加入反應(yīng)物之前進(jìn)行的。其原理和步驟主要是：首先將要檢查的裝置處理成一個密閉的體系，然后通過適當(dāng)操作使密閉體系內(nèi)的壓強發(fā)生變化，使密閉體系內(nèi)的壓強大于或小于外界大氣壓，然后通過一些現(xiàn)象表現(xiàn)出來，如有沒有氣泡產(chǎn)生，有沒有水柱形成等來確定裝置的氣密性好壞。

檢查裝置的氣密性常用的方法有微熱法和液面差法。微熱法具體做法是：把燒瓶導(dǎo)管一端浸入水中處理成一個密閉體系，用雙手捂住燒瓶，借助手的熱量使容器內(nèi)空氣膨脹，這時容器內(nèi)空氣則從導(dǎo)管口形成氣泡冒出，把手拿開，過一會兒，水會沿著導(dǎo)管上升，形成一段水柱，這就說明裝置氣密性良好。液面差法主要是針對啟普發(fā)生器而言的，將導(dǎo)管上的活塞關(guān)閉，在球形漏斗中注入一定量的水，使水面達(dá)到球形漏斗的球體部位，停止加水后，水面能停留在某一位置保持一段時間不再下降，這樣就說明裝置不漏氣。

二、利用氣體壓強巧做噴泉實驗

噴泉是一種常見的自然現(xiàn)象，節(jié)日的廣場上常看到一些人工噴泉，在化學(xué)實驗中利用氣體壓強差，讓液體在入口處的壓強大于出口處的壓強，當(dāng)壓強差達(dá)到一定值時就能形成噴泉。氯化氫氣體和氨氣由于極易溶于水，當(dāng)在燒瓶內(nèi)充滿這種氣體后，再向燒瓶內(nèi)注入一定量的水，由于水和它們結(jié)合后，造成瓶內(nèi)氣體急劇減少，瓶內(nèi)氣壓急劇降低，使瓶內(nèi)氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瓶外氣壓，這時放在燒瓶下面燒杯中的液體，就會在外界大氣壓的作用下，沿著插在燒瓶上的導(dǎo)管進(jìn)入燒瓶內(nèi)，形成噴泉。這樣的實驗往往讓學(xué)生記憶深刻，難以忘懷，對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣起到推波助瀾的作用。

三、利用氣體壓強進(jìn)行減壓分餾

蒸餾和分餾是分離液體混合物的重要方法之一。它的原理是利用液體沸點的差異，將沸點較低的液體通過先汽化的方式，與沸點較高的液體分離。以石油的分餾為例，石油的分餾分為常壓分餾和減壓分餾兩種。常壓分餾得到低沸點汽油、柴油餾分，塔底產(chǎn)品為重油，但是重油在一定的溫度下，容易與餾分中所含的大分子烴發(fā)生裂解反應(yīng)，使餾出的油品變質(zhì)，炭化結(jié)焦。為了解決這個問題，就必須在減壓下分餾，因為液體的沸點和液體表面的氣壓密切相關(guān)，液體表面氣壓越小，液體沸點就越低，在減壓條件下，重油可以在較低溫度下分餾，避免了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了分餾產(chǎn)品的純度。

四、利用氣體壓強指導(dǎo)漏斗和分液漏斗的使用

過濾時有時濾液會流得很慢，用分液漏斗組裝氣體發(fā)生器或進(jìn)行分液時，分液漏斗中的液體往下流動的速度有時會由快變慢甚至停止。原因是什么呢？原來前者是因為濾紙與漏斗內(nèi)壁之間存在許多氣泡，受氣泡中氣壓的影響，導(dǎo)致濾液不易透過濾紙而使過濾速度慢；后者則是因為分液漏斗上的蓋子的凹槽與漏斗頸內(nèi)的凹槽沒有對齊，致使外面的空氣無法進(jìn)入，而里面的壓強由于液體流下一部分后，氣體體積增大壓強減小而導(dǎo)致流速變慢甚至停止。因此在實驗中，前者要注意使濾紙緊貼漏斗內(nèi)壁，后者則應(yīng)使分液漏斗內(nèi)液體與外界大氣相通，這樣分液漏斗中的液體才會順利流下。

五、氣體壓強與氣體的溶解和吸收

氣體的溶解度隨著壓強的增大而增大，通過增大壓強的方式，可以有效地增大一些氣體的溶解度，比如汽水等一些碳酸飲料，就是通過加壓使CO2氣體溶于水，從而制成的。實驗室制備氯水時，由于氯氣在水中的溶解度不大，可將氯氣直接通入裝有適量水的圓底燒瓶中，一方面由于氯氣吸收較完全，不會發(fā)生倒吸，另一方面由于燒瓶口較小，減少了氯氣的揮發(fā)，增大了氯氣的蒸氣壓，從而增大了氯氣的溶解度。

六、氣體壓強與爆炸的防控

在有些化學(xué)實驗中，氣體在有限的空間發(fā)生劇烈的反應(yīng)時，放出大量的熱和氣體的量迅速增大，導(dǎo)致壓強迅速增大，當(dāng)超過了容器的承壓能力時，如果不及時預(yù)防和處理，往往會導(dǎo)致爆炸的發(fā)生，因此在實驗中我們必須時刻牢記，并注意以下問題。

1. 在點燃可燃性氣體前要驗純。

2.用CO和H2在加熱條件下還原CuO和Fe2O3時，要先通入一段時間的CO和H2，以排盡裝置內(nèi)的空氣，再加熱CuO和Fe2O3，防止加熱過程中可能產(chǎn)生的爆炸。

3. 在氣體參加反應(yīng)的實驗中，要防止導(dǎo)氣管堵塞，氣流不順，否則氣體越積越多，壓強越來越大，有引起爆炸的危險。

4. 啟普發(fā)生器式反應(yīng)器不能用于反應(yīng)非常劇烈的制氣裝置，這樣即使當(dāng)關(guān)閉活塞使反應(yīng)停止時，也會使發(fā)生器內(nèi)氣壓顯著增大，有爆炸的危險。

由此可見，氣體壓強對化學(xué)實驗的影響既有有利的一面，也有一些弊端。有時它是化學(xué)實驗順利進(jìn)行不可缺少的條件，有時處理不當(dāng)也會帶來巨大的危險，因此進(jìn)行實驗時我們要合理分析，正確應(yīng)用，這樣才能確保實驗成功。