寧夏

氣壓是氣體壓強(qiáng)的簡(jiǎn)稱(chēng)。氣壓產(chǎn)生的原因是大量氣體分子對(duì)器壁持續(xù)的、無(wú)規(guī)則的撞擊，氣壓變化在科學(xué)研究和日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中可應(yīng)用氣壓變化保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，但也要防范氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾。

一、引起氣壓變化的原因分析

引起氣壓變化的原因主要有溫度、容器的體積、氣體物質(zhì)的量等。分析如下：

1.容器體積(V)和氣體物質(zhì)的量(n)不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)(p)與溫度(T)成正比；

2.溫度(T)和氣體物質(zhì)的量(n)不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)(p)與容器體積(V)成反比；

3.溫度(T)和容器體積(V)不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)(p)與氣體物質(zhì)的量(n)成正比。

二、應(yīng)用氣壓變化保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行

1.應(yīng)用在裝置氣密性的檢查中

裝置的氣密性良好是保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的前提。檢查裝置氣密性的原理是通過(guò)改變溫度或氣體的體積從而改變壓強(qiáng)，再通過(guò)氣泡的產(chǎn)生、水柱的形成、液面的升降等現(xiàn)象來(lái)判斷裝置的氣密性是否良好。

圖1

圖2

圖1裝置氣密性檢查的原理是容器體積(V)和氣體物質(zhì)的量(n)都不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)(p)與溫度(T)成正比。方法是將導(dǎo)管伸入水中，用手捂熱(或用酒精燈微熱)試管，如果導(dǎo)氣管末端產(chǎn)生氣泡，松手后(或撤去酒精燈)導(dǎo)管末端有一段水柱形成，則證明裝置氣密性良好。

圖2裝置氣密性檢查的原理是溫度(T)和氣體物質(zhì)的量(n)都不變時(shí)，氣體壓強(qiáng)(p)與體積(V)成反比。方法是關(guān)閉導(dǎo)氣管，向球形漏斗中加水，使漏斗中的液面高于容器內(nèi)的液面，一段時(shí)間后，如果液面差不變，則證明裝置氣密性良好。

其他裝置氣密性檢查的原理和方法參見(jiàn)上述論述。

2.應(yīng)用在部分物質(zhì)的順利制備中

利用密閉體系中產(chǎn)生的氣體會(huì)形成較大壓強(qiáng)的原理可實(shí)現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

制備一定量的H2時(shí)，可用圖3裝置。將Zn粒放到有孔塑料板上，長(zhǎng)頸漏斗中加入稀H2SO4，稀H2SO4與Zn粒接觸產(chǎn)生氫氣。通過(guò)關(guān)閉彈簧夾(氣體增多，氣壓增大，長(zhǎng)頸漏斗中液面上升，液體與固體分離，反應(yīng)停止)或打開(kāi)彈簧夾(氣體減少，氣壓減小，長(zhǎng)頸漏斗中液面下降，液體與固體接觸，反應(yīng)發(fā)生)控制反應(yīng)的停止和發(fā)生。

圖3

圖4

制備一定量Fe(OH)2白色沉淀時(shí)，可用圖4裝置。在試管Ⅰ中加入鐵屑和少量稀H2SO4，試管Ⅱ里加入大量NaOH溶液，當(dāng)試管Ⅱ中持續(xù)產(chǎn)生氣泡時(shí)，關(guān)閉止水夾，由于Ⅰ中氣體量增加，氣壓增大，試管Ⅰ中溶液就會(huì)進(jìn)入試管Ⅱ中，使試管Ⅱ中產(chǎn)生大量Fe(OH)2白色沉淀。并且由于試管Ⅱ中的O2已經(jīng)被生成的H2排干凈，所以生成的Fe(OH)2白色沉淀能保持較長(zhǎng)時(shí)間，不被氧化。

3.應(yīng)用在理解物質(zhì)性質(zhì)或反應(yīng)原理中

(1)用來(lái)理解噴泉實(shí)驗(yàn)原理

圖5

噴泉實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明氣體的溶解性或與其他試劑的反應(yīng)情況。中學(xué)化學(xué)中常見(jiàn)的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，燒瓶?jī)?nèi)氣體溶解于燒杯中的試劑或與燒杯中的試劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致燒瓶?jī)?nèi)氣體分子數(shù)目急劇減少，燒瓶?jī)?nèi)氣壓急劇降低，外界大氣壓將燒杯內(nèi)的水通過(guò)導(dǎo)管壓至燒瓶?jī)?nèi)形成噴泉。

為保證實(shí)驗(yàn)的順利發(fā)生所采取的措施主要有兩種：一是打開(kāi)止水夾，在燒瓶上敷熱毛巾，使燒瓶?jī)?nèi)氣壓增大，氣體分子與燒杯中的試劑接觸進(jìn)而溶解或發(fā)生反應(yīng)，使燒瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，短時(shí)間形成壓強(qiáng)差，形成噴泉；二是打開(kāi)止水夾，擠壓膠頭滴管，使燒瓶?jī)?nèi)氣體與燒杯中的試劑接觸進(jìn)而溶解或發(fā)生反應(yīng)，燒瓶?jī)?nèi)氣體溶解或與試劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致燒瓶?jī)?nèi)氣體的量瞬間減少，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)差，形成噴泉。

(2)用來(lái)理解鋼鐵腐蝕原理

因環(huán)境不同，鋼鐵發(fā)生的腐蝕主要有吸氧腐蝕和析氫腐蝕兩種類(lèi)型。

圖6

如圖6所示，鐵釘在試管中發(fā)生的腐蝕類(lèi)型可以根據(jù)右側(cè)U形管內(nèi)左右兩邊的液面高低來(lái)判斷。發(fā)生析氫腐蝕時(shí)，試管內(nèi)產(chǎn)生氫氣導(dǎo)致氣壓增大，U形管內(nèi)紅墨水液面左低右高；發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)，試管內(nèi)消耗氧氣導(dǎo)致氣壓減小，U形管內(nèi)紅墨水液面左高右低。

上述幾方面主要是通過(guò)人為造成壓強(qiáng)差來(lái)確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行或利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自然形成的壓強(qiáng)差來(lái)理解相關(guān)反應(yīng)原理。但也有很多實(shí)驗(yàn)需要防范因氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的干擾和影響。

三、防范氣壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾

1.防范氣壓變化對(duì)準(zhǔn)確量取氣體體積的影響

氣體的體積隨溫度和壓強(qiáng)的變化而發(fā)生變化。一定量的氣體的體積是指氣體的溫度、產(chǎn)生的壓強(qiáng)分別與室溫和大氣壓一致情況下的體積。

圖7為量氣裝置之一。某化學(xué)課外活動(dòng)小組利用如圖7所示的裝置將NO2和O2的混合氣通入水中反應(yīng)，并測(cè)定反應(yīng)后混合氣的體積。在讀取量氣管體積時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：一是冷卻至室溫(溫度影響氣體的體積)；二是上下移動(dòng)量氣管，使前后兩次讀數(shù)時(shí)均保持量氣管內(nèi)液面和球形容器內(nèi)液面相平(當(dāng)量器管內(nèi)液面高于球形容器內(nèi)液面時(shí)，因球形容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)高于外界大氣壓，所收集氣體的體積偏??；當(dāng)量器管內(nèi)液面低于球形容器內(nèi)液面時(shí)，因球形容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)低于外界大氣壓，所收集氣體的體積偏大)。

圖7

2.防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因氣壓變化而發(fā)生意外

(1)防止氣壓變化致使液體發(fā)生倒吸

圖8

如圖8，當(dāng)氣體被燒杯內(nèi)的溶液吸收或反應(yīng)后，會(huì)瞬間造成反應(yīng)容器的壓強(qiáng)低于外界大氣壓，空的試劑瓶就可以防止燒杯內(nèi)的液體進(jìn)入氣體發(fā)生裝置。

如圖9，CO還原CuO的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后是先撤去酒精燈還是先停止通CO涉及氣壓變化問(wèn)題。如果先停止通CO，后撤去酒精燈，由于撤去酒精燈后溫度降低，直玻璃管內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生低壓，瓶?jī)?nèi)液體就會(huì)倒吸至直玻璃管內(nèi)。所以應(yīng)該是先撤去酒精燈，待直玻璃管冷卻至室溫后，再停止通入CO。

圖9

圖10

(2)防止氣壓變化導(dǎo)致液體不能順利流下

如圖10，當(dāng)燒瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生氣體時(shí)，若沒(méi)有膠皮管，燒瓶?jī)?nèi)的氣壓增大會(huì)導(dǎo)致漏斗內(nèi)液體較難順利流下。膠皮管的作用就是平衡壓強(qiáng)，使漏斗內(nèi)的液體順利流下。

(3)防止氣壓變化導(dǎo)致塞子脫落

如圖11，當(dāng)錐形瓶?jī)?nèi)氣壓過(guò)大時(shí)有可能導(dǎo)致錐形瓶橡膠管脫落。錐形瓶?jī)?nèi)插入導(dǎo)管并加入一定量的水就可以防止錐形瓶?jī)?nèi)氣壓過(guò)大導(dǎo)致橡膠塞脫落。

圖11

四、與氣壓變化有關(guān)的高考試題賞析

整理近幾年高考實(shí)驗(yàn)試題，與壓強(qiáng)差有關(guān)的問(wèn)題設(shè)置主要是利用壓強(qiáng)差保障后續(xù)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行和防止壓強(qiáng)差對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾兩類(lèi)。

1.利用壓強(qiáng)差保障后續(xù)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行

【例1】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·26節(jié)選)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價(jià)鉻還原為二價(jià)鉻；二價(jià)鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示?；卮鹣铝袉?wèn)題：

(3)打開(kāi)K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍(lán)色溶液流入d，其原因是___________________>。

【答案】c中產(chǎn)生H2使壓強(qiáng)大于大氣壓

【解析】二價(jià)鉻與醋酸鈉溶液反應(yīng)的前提是c中的溶液能夠進(jìn)入d中與醋酸鈉溶液混合。當(dāng)c中的壓強(qiáng)大于d中的壓強(qiáng)就可以實(shí)現(xiàn)c中的溶液流入d中發(fā)生反應(yīng)。即當(dāng)打開(kāi)K3，關(guān)閉K1和K2時(shí)，c中鋅粒與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣排放不出去，產(chǎn)生了較大的壓強(qiáng)，將c中生成的亮藍(lán)色溶液壓入d中。

【例2】(2017·全國(guó)卷Ⅰ·26節(jié)選)凱氏定氮法是測(cè)定蛋白質(zhì)中氮含量的經(jīng)典方法，其原理是用濃硫酸在催化劑存在下將樣品中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成銨鹽，利用如圖所示裝置處理銨鹽，然后通過(guò)滴定測(cè)量。

回答下列問(wèn)題：

(3)清洗儀器：g中加蒸餾水；打開(kāi)k1，關(guān)閉k2、k3，加熱b，蒸氣充滿(mǎn)管路；停止加熱，關(guān)閉k1，g中蒸餾水倒吸進(jìn)入c，原因是____________________；打開(kāi)k2放掉水。重復(fù)操作2～3次。

【答案】(3)c中溫度下降，管路中形成負(fù)壓

【解析】?jī)x器的干凈程度是后續(xù)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的前提。當(dāng)c裝置中的壓強(qiáng)低于g裝置中壓強(qiáng)時(shí)，錐形瓶中的液體可以倒流入c中進(jìn)而起到清洗儀器的作用。即由于停止加熱，c、e及其所連接的管道內(nèi)水蒸氣冷凝為水后，使氣壓小于外界大氣壓，在大氣壓的作用下，錐形瓶?jī)?nèi)的蒸餾水流入c中。

2.防止壓強(qiáng)差對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)造成干擾

【例3】(2019·全國(guó)卷Ⅰ·27節(jié)選)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實(shí)驗(yàn)室中探究采用廢鐵屑來(lái)制備硫酸鐵銨，具體流程如下(略)：

回答下列問(wèn)題：

(2)鐵屑中含有少量硫化物，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為_(kāi)_______(填標(biāo)號(hào))。

A

B

C

D

【答案】C

【解析】由于鐵屑中含有少量硫化物，所以產(chǎn)生的氣體為H2S。H2S氣體在水中的溶解性較差，可以利用NaOH溶液來(lái)吸收H2S氣體。但當(dāng)吸收速率過(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)管內(nèi)的壓強(qiáng)降低進(jìn)而發(fā)生溶液倒吸，干擾實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。采用倒扣的漏斗進(jìn)行吸收，可以避免發(fā)生倒吸。

【例4】(2016·江蘇卷·21B節(jié)選)焦亞硫酸鈉(Na2S2O5)是常用的抗氧化劑，在空氣中、受熱時(shí)均易分解。實(shí)驗(yàn)室制備少量Na2S2O5的方法：在不斷攪拌下，控制反應(yīng)溫度在40℃左右，向Na2CO3過(guò)飽和溶液中通入SO2，實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。

(2)裝置Y的作用是_________________。

【答案】(2)防止倒吸

【解析】由于SO2是大氣污染物，最后盛有NaOH溶液的Z裝置是用來(lái)吸收SO2氣體的。SO2很容易和NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致裝置X中壓強(qiáng)減小，易發(fā)生溶液的倒吸，因此裝置Y的作用是防止發(fā)生倒吸。

實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)生獲取化學(xué)知識(shí)的重要手段，是提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。梳理氣壓變化在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與防范，呈現(xiàn)了基于原理分析的理性思考過(guò)程。從知識(shí)、原理到應(yīng)用，只有教會(huì)學(xué)生怎樣思考問(wèn)題、分析問(wèn)題，才是真正教會(huì)了學(xué)生如何學(xué)習(xí)。