关于“喷泉实验”的设计及浓度计算

关于“喷泉实验”的设计及浓度计算摘要：喷泉实验是高中化学实验的一个重要知识点，具有趣味性和综合性，在历年的高考中偶有出现。本文主要是讲解喷泉的实验原理和相关的考察习题。关键词：喷泉浓度计算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，提升学生的思维能力。一、探究喷泉实验的形成原理喷泉形成的原因是瓶内外存在压强差。当烧瓶内气体溶于液体或与之反应时，瓶内气体大量减少，压强降低，外界的大气压将液体压入烧瓶内，形成美丽的喷泉。操作：先挤压胶头滴管，再打开止水夹，可见带有尖嘴的导管喷出红色的喷泉。原因分析：氨气极易溶于水，烧瓶内压强瞬间变小，外界大气压将烧杯内的水压入烧瓶,形成红色喷泉（氨水呈碱性，遇酚酞变红）。（必修一实验）二、分析喷泉实验成功的关键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。三、形成喷泉的组合：①极易溶于水的气体（NH3、HCl、SO2等）与水可形成喷泉；②酸性气体（HCl、CO2、SO2、NO2、H2S等）与NaOH溶液可形成喷泉；氨气水（含酚酞）③有机气体与其他物质反应也可形成喷泉。四、阐释形成喷泉的方式1、负压型（减小压强）：接纳喷泉的空间低于大气压，而喷起液体容器与大气相通，通常是烧瓶内气体极易溶于水或烧瓶内的气体与溶液反应，使烧瓶内的压强低于大气压。2、正压型（增大压强）：接纳喷泉的空间与大气相通，而喷起液体容器压强大于大气压。通常是容器内的液体由于受热挥发（如浓盐酸、浓氨水、酒精等）或由于发生化学反应产生大量的气体。例如：喷泉是一种常见的实验现象，其产生原因是存在压强差。(1)在图甲的烧瓶中充满干燥气体，胶头滴管及烧杯中分别盛有液体。下列组合中不可能形成喷泉的是A．HCl和H2OB．Cl2和H2OC．NH3和H2OD．CO2和烧碱溶液(2)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(3)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。水槽中加入的物质可以是_______A．浓硫酸B．食盐C．硝酸铵D．烧碱加入该物质能产生喷泉的原因是_____________________________________(4)比较图甲和图乙的两套装置，从产生喷泉的原理分析，二者的不同点是______________________________________________________________【解析】（1）让烧瓶中（图甲）收集到的气体大量溶于水或让气体与接触到的溶液发生反应，引起烧瓶内的压强急剧降低，在外界大气压的作用下，烧杯中的液体迅速通过带有尖嘴的玻璃管喷入烧瓶，形成喷泉。（2）将锥形瓶（图乙）设计成一个密闭容器，通过该密闭容器中液体的挥发或发生化学反应产生大量气体，使该密闭容器中压强迅速升高，将密闭容器中的液体压入烧瓶形成喷泉。像城市中常见的人造喷泉、喷雾器喷雾以及火山爆发的原理均是利用了这种原理。【答案】（1）B（2）D（3）AD浓硫酸、烧碱溶于水时，放出大量的热，温度升高，使锥形瓶内酒精挥发加快，，瓶内压强增大，从而形成喷泉。（4）图甲装置利用了减少烧瓶内压强，图乙装置利用了增大锥形瓶内压强。五、各式各样的喷泉1、颜色各异的喷泉（2008年上海高考）右图的装置中，干燥烧瓶中盛有某种气体，烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压胶管的胶头，下列与试验事实不相符的是()A．CO2(NaHCO3溶液)无色喷泉B．NH3(H2O含酚酞)红色喷泉C．H2S(CuSO4溶液)黑色喷泉D．HCl(AgNO3溶液)白色喷泉【解析】CO2溶于水可发生以下反应：CO2+H2OH2CO3H++HCO3-由平衡移动原理可知，CO2在NaHCO3溶液中的溶解度很小，因此不能形成喷泉。H2S+Cu2+=CuS↓+2H+，CuS为黑色沉淀，故形成黑色喷泉。D项中的Cl-与Ag+结合生成白色沉淀AgCl。【答案】A2、双喷泉实验利用如图所示的装置，可以验证NH3和HCl的有关性质．实验前a、b、c活塞均关闭．（1）若要在烧瓶Ⅱ中产生“喷泉”现象，烧瓶I中不产生“喷泉”现象，其操作方法是___________________________________________。（2）若先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管，在烧瓶中可观察到的现象是__________________________________________________。（3）通过挤压胶头滴管和控制活塞的开关，在烧瓶I中产生“喷泉”现象，烧瓶Ⅱ中不产生“喷泉”现象，其操作方法。（4）若要在该装置中产生双喷泉现象，其操作方法是_________________________________________________________________________________________。【答案】（1）先打开a、b活塞，再挤压胶头滴管（或先挤压胶头滴管，再打开a、b活塞）。（2）烧瓶Ⅱ导管口处产生白烟。（3）先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管（或先打开a活塞，挤压胶头滴管，再打开c活塞）。片刻后，关闭a，然后打开b活塞。（4）先打开a、c活塞，再挤压胶头滴管（或先打开a活塞，挤压胶头滴管，再打开c活塞）。片刻后，打开b活塞。若在装有水的烧杯中滴加紫色石蕊试液，可在烧瓶I、Ⅱ中分别看到壮观的红蓝的双色喷泉。3、有机喷泉把充满乙烯的圆底烧瓶用带有尖嘴导管的橡皮塞塞紧，如左图所示。打开止水夹A，通过导管C向盛溴水的锥形瓶中鼓入空气，把一部分溴水压入烧瓶，夹紧止水夹A。振荡烧瓶，观察到溴水褪色，有油状物生成，使烧瓶形成负压。反复操作几次，当喷入的溴水颜色不能完全褪去，说明烧瓶中的乙烯已完全反应。此时，打开止水夹B，烧杯中的水进入烧瓶形成喷泉。原理：利用乙烯易发生加成反应，使之与Br2反应，生成油状液体，降低烧瓶内的压强而形成喷泉。CH2=CH2+Br2CH2BrCH2Br4、启动喷泉的多种方法：（1）如果只提供下图的装置，请说明引发喷泉的方法。由PV=nRT可知，减小压强P，可通过①减少气体的物质的量n，②降低气体的温度（T）。由实验装置可知，只能通过方法②进行。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。（2）利用其它气体启动喷泉加热试管中的浓氨水，打开A处的止水夹，向烧瓶中通入少量氨气后关闭A处的止水夹，再打开B处的止水夹。五、总结喷泉实验后的浓度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。1、单一气体①用HCl和水做喷泉实验，若烧瓶内充满HCl气体，则在标准状况下，做完实验后烧瓶内C（HCl）=_________________mol/Ln（溶质）HCl浓氨水设烧瓶的体积为VL，由公式C=VL/22.4mol/LVL②用NO2和水做喷泉实验，若烧瓶内充满NO2气体，则在标准状况下，做完实验后烧瓶内C（HNO3）=_________________mol/LNO2溶于水跟H2O反应生成HNO3和NO气体：3NO2+H2O=2HNO3+NO2/3烧瓶的气体转化为HNO3，形成2/3烧瓶的溶液，故2/3VL/22.4mol/L2/3VL2、混合气体③用NO2、O2和水做喷泉实验，NO2和O2按4:1的体积比充满烧瓶，则在则在标准状况下，做完实验后烧瓶内C（HNO3）=_________________mol/L由4NO2+O2+2H2O=4HNO3可知，4/5烧瓶的气体转化为HNO3，所以C（HNO3）=1/22.4mol/L×4/5=1/28mol/LV（溶液）C（HCl）==1/22.4mol/LC（HNO3）==1/22.4mol/L