高考中的重要考点---喷泉实验

高考中的重要考点---喷泉实验喷泉实验具有趣味性、效果性、探究性和综合性，是中学化学实验中的一个重要的知识点，也是历年高考试题中的热点，题型的设计屡有创新。本文就喷泉实验的形成原理和试题考查方式进行归纳分析。一、探究喷泉实验的形成原理掌握“喷泉实验”形成原理，需要搞清楚：是否只有水溶性很大的气体才能做喷泉实验？多大溶解度的气体才能做好喷泉实验？例题1、在做氯化氢的喷泉实验时，假设实验时所用的烧瓶容积为250mL，玻璃管长为35cm，胶头滴管内能挤出约为0.5mL的水，则在0.5mL水中要溶解多少体积的气体，水才能从尖嘴导管中喷出呢？（假设大气压强为一个标准大气压）解析：要使水通过玻璃管喷入烧瓶形成喷泉，瓶内外压强差必须超过一个特定的值，我们研究玻璃管中的一段水柱，这段水柱受到瓶内气体压力pS、重力mg及向上的大气形成的压力p0S。要使水柱喷入瓶内，要求：p0S＞pS＋mg。式中p0＝ρgh，要以水柱计算，一个标准大气压相当于10.34m水柱产生的压强。题中给出h为0.35m。从而算出烧瓶内压强要求小于9.99m水柱产生的压强，减少的压强要求大于0.35m水柱产生的压强。根据气态方程（pV=nRT）可以求出，压强为0.35m水柱高、体积为250mL的气体，当压强改变为1个标准大气压（即10.34m水柱形成的压强）的体积V的大小为8.50mL。因而，当滴管内0.5mL的水挤压入烧瓶后，如能溶解1个标准大气压下8.50mL的以上的氨气，即有喷泉现象发生。故要求气体的溶解度大于17（8.50/0.5）。拓展：由本题给出的烧瓶数据不难得到除氨气外，HBr、HCl、SO2等气体的溶解度均大于17，均能形成美丽的喷泉。二、分析喷泉实验成功的关键是：①盛气体的烧瓶必须干燥，否则甁中有液体，会使瓶口留下空气，形成的喷泉压力不大（喷泉”无力”）；②气体要充满烧瓶；③烧瓶不能漏气（实验前应先检查装置的气密性）；④所用气体能大量溶于所用液体或气体与液体快速反应。形成喷泉的组合(1)常温常压下），NH3、HCl、SO2、NO2与水组合能形成喷泉。(2)酸性气体与NaOH(aq)组合能形成喷泉，例如CO2与NaOH，SO2与NaOH等。(3)有机气体与有机溶剂组合也能形成喷泉。例题2、(1)判断下列几种气体（括号内为溶剂或反应物溶液），按如图装置加入，能看到喷泉现象的是（）A、HCl（H2O）B、CO2（H2O）C、SO2（NaOH溶液）D、NH3（汽油）(2)(1)题中能形成喷泉的原因是_______________________________________。(3)某学生试图用氨气和水去做喷泉实验，结果实验失败，试分析实验失败可能的原因。解析：(1)此题起点低，从课本知识点入手须深入理解喷泉实验的原理，再进行类比迁移。具体思路为：HCl和NH3极易溶于水形成喷泉，再把概念外延，气体极易溶于某一溶剂或溶液便形成喷泉，选A、C。(2)形成喷泉要知其所以然，该小题的能力要求显然高于（1）小题。气体极易溶解（如有少量水进入后能溶解大量气体）。导管容器内气体物质的量减小，容器内压强减小，容器内外产生较大压强差，从而形成喷泉。(3)实验失败原因的分析则需要学生大胆假设，在理解基础上需进行创新。其实验失败可能的原因有：制备氨气时烧瓶潮湿；装置漏气；滴入烧瓶里的水太少，导管又偏长；或氨气中混入了空气等。答案：（1）AC（2）气体极易溶解，导致容器内压强减小，致使容器内外产生较大压强差，从而形成喷泉（3）制备氨气时烧瓶潮湿；装置漏气；滴入烧瓶里的水太少，导管又偏长；氨气中混入了空气等。三、阐释形成喷泉的方式1、用“增大压强”的方式形成喷泉当液柱两端受到气体的压强处于平衡状态时，不会形成喷泉。但当增大液体进入口端气体的压强时，可以破坏液柱的平衡，使液柱发生运动而形成喷泉。在体积一定的情况下，要增大气体压强，可以采用升温的方法或增加气体的分子数方法。升温可以用热水浇注或用手或热毛巾等将烧瓶捂热(物理方法),也可以用放热反应放热升温（化学方法）；增加气体的分子数可以用打气机打入部分气体或使液体蒸发(物理方法)，也可以用化学反应产生大量气体而增加气体的分子数（化学方法）。2、用“减小压强”的方式形成喷泉当液柱两端受到气体的压强处于平衡状态时，不会形成喷泉。但当减小喷出端气体的压强时，可以破坏液柱的平衡，使液柱发生运动而形成喷泉。在体积一定的情况下，要减小气体压强，可以采用降温的方法或减少气体的分子数方法。降温可以用冷水浇注(物理方法),也可以用吸热反应吸热降温（化学方法）；减少气体的分子数可以用抽气机抽出部分气体(物理方法)，也可以让气体大量溶解于液体之中而减少气体的分子数（化学方或物理方法）。例题3、喷泉实验是中学化学的一个重要性质实验，也是一种自然现象。其产生原因是存在压强差。试根据附图，回答下列问题：(1)在图乙的锥形瓶中，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)在图乙的锥形瓶外放一水槽，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。水槽中加入的物质不可能是A．浓硫酸B．生石灰C．硝酸铵D．烧碱(3)城市中常见的人造喷泉及火山爆发的原理与上述________装置的原理相似。(4)如果只提供如图丙的装置，引发喷泉的方法是______________。解析：(1)题设的四个选项，既是对常见气体的制备方法的一个概括，又是对形成喷泉原理的一个深化，答案选D。(2)浓硫酸、生石灰、烧碱溶于水时，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，而硝酸铵溶于水时，吸收大量的热。故答案为C。(3)图甲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；图乙装置恰恰相反，是因为下部锥形瓶气体压强增大而产生压强差形成喷泉。并将视角转向生活与自然进行联想和比较。故答案为乙。(4)方法一、打开止水夹，用手(或热毛巾等)将烧瓶捂热，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；方法二、烧瓶上覆盖冷毛巾或淋洒冷水，使烧瓶内温度降低，压强减小，从而引发喷泉；方法三、在烧瓶上涂抹无水乙醇，由于乙醇挥发带走热量使烧瓶内温度降低，压强减小，引发喷泉。四、总结喷泉实验后浓度的计算喷泉实验所得溶液物质的量浓度的计算是近年高考中出现的一种小类型题，很有特点。本文把这种计算的类型和解法总结如下1、气体是溶质：如用HCl、HBr、HI、ＮＨ３等和水进行的喷泉实验。2、气体不是溶质：如用ＮＯ２和水、ＮＯ２和Ｏ２的混合气体和水进行的喷泉实验。例题4、标准状况下，在两个干燥的圆底烧瓶中分别充满：①纯净的NH３，②混有少量空气的HCl纯净的NH３，，③纯净的NO２，试求所得溶液的浓度。解析：①设烧瓶的体积为VL，则充满NH3后气体的物质的量为mol。发生喷泉现象后，烧瓶将充满溶有NH3的溶液，即溶液的体积为VL，所以烧瓶内溶液的物质的量浓度为mol/L。气体或主要气体是所得溶液的溶质；②烧瓶中有多少体积的溶质气体，就能得到多少体积的溶液，即V(溶质气体)＝V(溶液)，而与杂质气体无关。则所得溶液的浓度分别为：22.4mol·L-1。③设烧瓶的体积为VL，则充满NO2后气体的物质的量为mol。发生如下反应：3NO2+2H2O=2HNO3+NO，反应后生成HNO3的物质的量为mol。由于剩余VLNO气体，所以烧瓶中溶液的体积为VL，因此烧瓶内溶液的物质的量浓度也为mol/L。例题5、在标准状况下，将O2与NO按3：4体积比充满一个干燥烧瓶，将烧瓶倒置于水中，最后烧瓶内溶液物质的量浓度约是A．0.036mol/LB．0.026mol/LC．mol/LD．0.030mol/L解析：在干燥瓶内O2与NO混合后立即发生发应2NO＋O2＝2NO2，因此烧瓶中实际上充满的气体是NO2和O2，且V（NO2）：V（O2）=4：1，所以烧瓶倒置于水中，发生的反应实际上是4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，即硝酸浓度为4/22.4÷5＝0.036（mol/L）。