這兩種試劑瓶為什么會破裂

黨文祥

[摘? ?要]化學實驗室中存在試劑瓶破裂的現象，是空氣進入瓶內引發化學藥品變質所致。通過實驗和有關事實進一步驗證，變質反應中固體體積增大是導致試劑瓶破裂的原因。文章從塊狀固體的結構特點和粉末狀固體中顆粒之間的距離特點，論述塊狀變為粉末時體積增大的原因，指出試劑瓶破裂造成的危害，找到防止試劑瓶破裂的保護方法。

[關鍵詞]碳化鈣;氧化鈣;試劑瓶;破裂;體積增大

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）29-0066-02

筆者所在的學校是一所農村中學，化學實驗室設備簡陋，儀器、藥品相對較少。多年來不少存放了很久的化學藥品仍然保留著，其中有些已經變質，有些試劑瓶出現了破裂現象。任何事物都具有兩面性，正是這樣的實驗室現狀，為筆者研究實驗室管理提供了素材。下面，筆者就碳化鈣及氧化鈣試劑瓶的破裂問題進行探究。

一、碳化鈣試劑瓶的破裂

在久置的化學藥品中，發現幾個裝有碳化鈣的塑料試劑瓶破裂了。試劑瓶除了碰撞等特殊原因，一般是不會破裂的。為什么具有彈性的塑料瓶會破裂呢？

1.試劑瓶破裂的可能原因

塑料試劑瓶的破裂，必然是化學藥品的變質反應引起的。用碳化鈣制取乙炔時，碳化鈣與水反應很劇烈（① CaC2+2H2O=Ca（OH）2+C2H2）。而試劑瓶中的碳化鈣在放置過程中，也會與水蒸氣很緩慢地、連續地進行反應，其反應原理與反應①相同（只是水的狀態不同）。水蒸氣來自于空氣，而空氣中含有二氧化碳，當碳化鈣通過反應①生成氫氧化鈣后，氫氧化鈣會與二氧化碳反應（② Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O）。不論是反應①還是反應②，都會有熱量放出。

因此，致使碳化鈣試劑瓶破裂的可能原因有：（1）生成的氣體使瓶內壓力增大，超出了塑料瓶的承受能力;（2）反應放出的熱量使瓶內溫度驟升，使塑料瓶受熱變軟;（3）碳化鈣固體變為氫氧化鈣和碳酸鈣時，體積增大，超出了塑料瓶的承受能力。

在瓶內與碳化鈣和氫氧化鈣反應的水蒸氣和二氧化碳都是從瓶外進入的。既然空氣能從瓶外進入瓶內，那么，瓶內生成的氣體為什么不會逸出瓶外呢？況且，將①②兩式加合起來可得：CaC2+H2O+CO2=CaCO3+C2H2。可見，從瓶外進入的氣體比瓶內生成的氣體多。因此，試劑瓶的破裂，不是由反應生成的氣體造成的。

裝碳化鈣的試劑瓶有內蓋和外蓋。內外蓋的存在，使瓶頸與瓶蓋之間的縫隙變得很小，空氣流動并不暢通。因此，同樣是生成乙炔的反應，碳化鈣與水的反應很劇烈，單位時間內放出大量的熱;而與進入瓶內的水蒸氣的反應則很微弱、很緩慢，單位時間內放出的熱量也很少，而且這些熱量不會聚集于一處，而是分散于整個瓶內，再通過瓶壁和縫隙傳出瓶外。這樣，就不會在短時間內聚集大量的熱而使溫度驟升，也就不會使瓶壁變軟。可見，試劑瓶的破裂也不是因為反應放出的熱量造成的。

那么，試劑瓶的破裂，是因為固體體積的增大而造成的嗎？

2.固體體積增大的事實

實驗：取1個燒杯裝入水，將1束衛生紙沿中間對折后，將對折的兩部分掛在燒杯壁的兩側，使內部的一端浸入水中，然后取出放入干燥器內，蓋上干燥器的蓋子。這樣便組成了1個潤室。由于水具有表面張力，衛生紙的纖維間結合不緊密，在與水接觸后，水會沿著纖維間的縫隙運動，形成毛細現象，因此整束衛生紙很快會變濕潤。衛生紙上的水向空間揮發，使潤室內的濕度遠遠大于空氣中的濕度。取1塊碳化鈣放入小燒杯中，在燒杯中碳化鈣的最高位置處的水平線上綁1根橡皮條，以作為體積變化的參考線。將燒杯放入干燥器中，大量的水蒸氣與碳化鈣接觸并反應，在較短時間內就會看到固體狀態的變化。

潤室中，塊狀不斷變為粉末，粉末不斷增多。5天后，固體粉末超過了橡皮條所處的水平線。線上高度略小于線下高度。粉末所占的空間約為原塊狀碳化鈣體積的6～8倍，即塊狀變為粉末時，體積增大了（如圖1）。從潤室中取出小燒瓶，在空氣中敞口放置40天，其體積沒有明顯變化，說明在與二氧化碳反應生成碳酸鈣的過程中，對粉末的體積影響不大。

除了上述實驗，實驗室還有半瓶存放了兩年的碳化鈣，瓶中碳化鈣塊狀的表面已經變成了粉末，剩余的塊狀自然埋沒于粉末中。在存放的兩年中，粉末逐漸形成了向上的凸起（由于多次的搖動等原因，凸起的部分變得平緩）。因為采取了緩沖式保護[1]（用塑料膜覆蓋瓶頸和瓶蓋，再用線繩扎封），使進入瓶內的空氣流速變小，使體積增大緩慢。這也說明碳化鈣與空氣中的氣體反應的過程，是體積增大的過程（如圖2）。

另外，從試劑瓶破裂的現狀可以看出，是瓶內固體體積的增大產生的壓力，使試劑瓶的形狀發生了改變（如圖3）。

上述事實說明，碳化鈣試劑瓶的破裂，是固體體積增大所致。

3.問題分析

（1）塊狀碳化鈣變為粉末狀時體積為什么會增大？①塊狀固體，不論是否為晶體，微粒之間的距離小，結合作用強，每一塊塊狀物質就是一個整體。粉末狀固體是由很多小顆粒無規律地堆放而成的，每個小顆粒也是一個很小的塊狀整體。在顆粒與顆粒之間形狀不同，任意接觸且不緊密。這樣，就使粉末中的小顆粒之間存在大小不同的空隙，從而使塊狀變為粉末（物質種類不變）時體積變大。②碳化鈣固體屬于六方晶系的離子晶體，離子間距離小，作用力強，結合牢固，密度大，塊狀體積小。當其變為氫氧化鈣和碳酸鈣時，不僅物質的結構和種類發生了改變，原來致密堅硬的塊狀也變成了疏松的粉末狀，體積自然會增大。

（2）在碳化鈣變化過程中，二氧化碳不能與固體碳化鈣直接反應，但可以與氫氧化鈣反應生成水，這些水進一步與碳化鈣反應，加快了固體體積的增大，加快了試劑瓶的破裂。

4.試劑瓶破裂的危害

碳化鈣試劑瓶的破裂，是在長期放置過程中不知不覺發生的。當發現時，可能已經過很長的時間，碳化鈣可能已經完全變質。如此，不僅會將大量的乙炔釋放于空氣中，而且還會釋放其中的磷化物、砷化物生成的有毒氣體PH3、AsH3。因此，碳化鈣試劑瓶的破裂，不僅會使藥品報廢，而且會嚴重污染環境。

二、氧化鈣試劑瓶的破裂

在化學實驗室中，也曾出現過氧化鈣塑料試劑瓶破裂的問題。那么，氧化鈣試劑瓶破裂的原因又是什么呢？

氧化鈣放置時發生的反應，也主要是與水蒸氣的反應：CaO+H2O=Ca（OH）2，然后是氫氧化鈣與二氧化碳的反應：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，生成的水又與氧化鈣反應。雖然氧化鈣與水的反應是典型的放熱反應，但由于此處是與水蒸氣反應，而且單位時間內進入瓶內的氣體的量很少，因此在單位時間內產生的熱量少且分散。這些熱量會通過各種形式不斷地散失于空氣中，不會在短時間內聚集大量的熱而使塑料瓶變軟破裂。也就是說，反應放出的熱量不是導致試劑瓶破裂的主要原因。

由資料可知，氧化鈣變為氫氧化鈣時，體積增大1～2倍。煅燒良好、氧化鈣含量高的生石灰熟化快，體積增大也較多。再從試劑瓶的破裂現狀（如圖4）可以看出，其破裂的主要原因是固體體積的膨脹。

氧化鈣試劑瓶的破裂，加速了氧化鈣的變質，即變為氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣等的混合物，從而使氧化鈣失去原有的使用價值，只能做報廢處理。

三、怎樣防止試劑瓶破裂

上述試劑瓶破裂的原因，都是瓶頸內外壁與內外蓋之間的接觸不嚴密而引起的。因此，要防止試劑瓶破裂，必須從源頭上阻止氣體在瓶口的流動。在長期的實踐中，筆者總結出了碳化鈣和氧化鈣的保護方法：（1）新購置的、短時間內不使用的碳化鈣和氧化鈣，必須進行蠟封式保護[2];（2）在某時段內使用頻繁的，不便蠟封，應采取緩沖式保護;（對于易變質的絕大部分化學藥品，都可以采取蠟封式和緩沖式保護）（3）裝入透明的玻璃瓶中，以便及時觀察瓶內藥品的狀態和體積變化情況，發現問題及時處理;（4）瓶內的藥品不能裝滿，以6～7成為宜。

實驗室中的任何異常現象，都可能與化學反應有關，都可能蘊藏著科學知識和科學原理，對于化學教學和實驗室管理具有一定的研究價值。對此，教師應該認真及時地、積極主動地進行觀察、分析和研究，從中發現奧秘，總結規律，及時運用于實驗室管理中，以避免更多問題的出現。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 李旭娃.實驗室化學藥品的緩沖式保護[J].化學教學，2016（3）：70-73.

[2]? 李旭娃.實驗室中化學藥品的蠟封式保護[J].化學教育，2016（13）：53-57.

（責任編輯 羅 艷）