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化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad


2020-06-19


气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogadro’s Law),YouTube。

1. 準备此示範实验所需的药品与器材到上课教室,这些可以从日常的家用产品取得,如下图一所示。

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图一  本示範实验所需的药品与器材

2. 取2茶匙(8.9克)的小苏打(碳酸氢钠)和1茶匙(5.2克)的食用柠檬酸(一结晶水柠檬酸)放在一张对折的小张纸上,然后以倾斜方式倒入1个1.5 L的空宝特瓶中,如图二所示。

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图二  药品以倾斜方式倒入宝特瓶中

3. 加30 mL的水到宝特瓶中,摇晃混合液均匀,然后静置。再用点燃的火柴在瓶口处检测宝特瓶内是否充满二氧化碳,火焰熄灭表示瓶内充满二氧化碳,未熄灭表示瓶内未充满二氧化碳,如图三所示。

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图三  用点燃的火柴检测宝特瓶内是否充满二氧化碳

4. 在火柴的火焰熄灭后,立即以倾斜方式小心地倒入10. mL的液体马桶疏通剂到宝特瓶里,如图四所示。

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图四  以倾斜方式倒入液体马桶疏通剂到宝特瓶里

5. 加入液体马桶疏通剂后,立刻放入气球在宝特瓶内,并且反套气球的开口在瓶口处,如图五所示。

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图五  反套气球的开口在宝特瓶的瓶口处

6. 在套上气球后,手持宝特瓶,缓慢地摇晃,观察变化情形,如图六和图七所示。
化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图六  刚开始摇晃不久气球在宝特瓶中慢慢胀大

化学示範实验:气球在密闭瓶中膨胀—亚佛加厥定律(Avogad

图七  摇晃一阵子后气球几乎膨胀到整个宝特瓶中

 

1. 空宝特瓶(硬质瓶身的PET,容量1.5 L)  1个
2. 气球(15吋球,可吹大直径约15吋)  1个
3. 料理用量匙(四个一组)  1组
4. 小塑胶杯(容量30 mL,有刻量度者为佳)  2个
5. 纸张(约10 cm × 10 cm)  数张
6. 食品级柠檬酸(一结晶水柠檬酸)  1茶匙(5.2克)
7. 苏打(烘焙苏打、碳酸氢钠)  2茶匙(8.9克)
8. 火柴  1盒
9. 液体马桶疏通剂(含高浓度的氢氧化钠)  10 mL

原理和概念

● 眼睛看不见不代表不存在。大气压力一直在我们身边,只是我们平时忽略它而已。大气压力有多大?1平方公分的面积承受约1公斤的重量,1平方公分约为一个成人指甲的面积大小。一般人的身体表面积约为2平方公尺,换言之,每个人身上被约2万公斤的大气压力从身体的四面八方压着。地球上的生物没有被大气压力压扁,这是因为生物体内的压力和外界的大气压力相互抵销。

● 围绕在地球周围的空气层就叫大气,它的重量便是大气压力的来源。大气压力的大小是由所在高度上面的空气柱的重量所决定,大气压力也会随着时间、地点不同而变化,比如:高山的大气压力比平地为低,早晚的气压也会有所不同。

● 本示範实验在摇晃时,瓶内的压力比瓶外的大气压力为小,因此瓶内的气球就会往瓶内胀大;若是瓶内的压力比瓶外的大气压力为大,气球会往外膨胀直到压力平衡为止。

● 本示範实验的第一反应为碳酸氢钠与一结晶水柠檬酸的反应,如反应式[1]所示:

3NaHCO3(s) + C6H8O7‧H2O(s) + nH2O(l) →
3Na+(aq) + 3CO2(g) + C6H5O73-(aq) + (n+4)H2O(l)   [1]

该反应式以净反应式表示为柠檬酸的H+与小苏打的HCO3–的反应,如反应式[2]所示:

H+(aq) + HCO3–(aq) → H2O(l) + CO2(g)   [2]

● 本示範实验的第二反应为氢氧化钠与二氧化碳气体的反应,如反应式[3]所示:

2NaOH(aq) + CO2(g) → 2Na+(aq) + CO32-(aq) + H2O(l)   [3]

该反应式以净反应式表示为氢氧化钠的OH-与二氧化碳的反应,如反应式所[4]示:

2OH–(aq) + CO2(g) → CO32-(aq) + H2O(l)   [4]

● 亚佛加厥假说:在同温同压下,同体积的两个气体有相同的分子数(莫耳数)。亚佛加厥定律:在恆定的温度和压力下,气体的体积与分子数(莫耳数)成正比,在数学上,这可以表示为:体积(V)= 常数(K)× 莫耳数(n)。就本示範实验而言,在宝特瓶中加入柠檬酸与烘焙苏产生二氧化碳气体,当充满整个瓶后,加入氢氧化钠溶液,在密闭瓶中的二氧化碳分子逐渐被氢氧化钠吸收而变少,在同温同压下,气体的体积与分子数(莫耳数)成正比,在密闭瓶中的体积必须缩小因而促使气球在瓶中膨胀。故本示範实验遵守亚佛加厥定律。

● 从化学计量学来看,在进行反应[1]时,2茶匙(8.9 g)的小苏打相当于110 mmol (8.9 g / 84 g.mol-1)的碳酸氢钠,1茶匙(5.2 g)的食用柠檬酸相当于25 mmol (5.2 g / 210 g.mol-1)的一结晶水柠檬酸。经过第一个反应以后,碳酸氢钠为限量试剂,用去75 mmol(25 mmol × 3),柠檬酸为过量试剂,用去25 mmol,余下碳酸氢钠35 mmol。在室温下产生二氧化碳的莫耳数为75 mmol,体积为1800 mL (75 mmol × 82.058 mL‧atm‧K-1 × 298 K / 1.00 atm),其产生的体积足以充满1.5公升的宝特瓶。

● 在进行反应[2]时,加入10. mL的液体马桶疏通剂(约为16.7 M的氢氧化钠)含氢氧化钠约有170 mmol (10. mL × 16.7 M),可消耗二氧化碳的莫耳数为85 mmol(170 mmol / 2),亦即可消耗其体积2100 mL (85 mmol × 24.5 L × mole-1)。此液体马桶疏通剂的量足以使瓶内的所有二氧化碳几乎消耗完毕。

教学提示

1. 本示範实验的空宝特瓶一定要使用硬质的瓶身PET,否则摇晃时不仅气球会膨胀,而且宝特瓶本身也会凹缩。

2. 到入药品于宝特瓶中,由于瓶口太小而不慎洒到瓶外,改善之道为先放置药品于一小张纸上,再倒入瓶中。

3. 选用气球的大小也要合适,1.5 L的宝特瓶使用15吋气球为极佳配对,气球太小极易胀破,气球太大膨胀的效果不明显。

4. 此示範实验所使用的药品用量可依照宝特瓶的大小做适当的比率放大或缩小。

5. 虽然这是一个化学示範实验,教师也可以改成有趣的家庭化学实验,让学生亲自动手做。如果中小学生在家里做这项实验,必须有家长在旁边监督,不可一个人独自进行此实验。

6. 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

7. 这个示範实验剩余的家用产品,可以重複使用,最好装在一个标示「气球在密闭瓶中膨胀」或放在相似主题的置物箱中备用,方便带到教室上课。

问题与参考答案

1. 为什幺气球在密闭瓶子里吹气是一件很困难的事情?
答:气球在密闭瓶子里吹气使之膨胀,相当于在瓶子里加入新的气体。因为在宝特瓶里面已经有气体占据在里面,所以新的气体就进不去了,除非增加瓶内的压力。

2. 若是以瓶盖盖紧宝特瓶来替代反套的气球,有何现象变化?
答:宝特瓶内的压力逐渐变小,因此宝特瓶会慢慢地被大气压力压扁。

3. 氢氧化钠和氢氧化钾这一类强硷药品要如何保存?
答:从本示範实验里,发现氢氧化钠或氢氧化钾这类的强硷对二氧化碳的吸收能力很强,因此这类的强硷必须密闭保存,以防与空气中的二氧化碳反应。此外,这类强硷对于水的吸收能力也很强,吸收水气会造成药品变质,此现象称为「潮解」。

4. 尝试解释以下现象:有一辆油罐车,工作人员用高温蒸气清洗油罐内部后,把盖子盖上后下班了,第二天上班来看时,油罐车上的油罐凹陷扁塌。
答:工作人员使用高温水蒸气清洗油罐内部时,有大量的水蒸气在油罐里,当盖上油罐的盖子后,过了一夜,油罐内部的温度下降,气态的水蒸气凝结成液态的水,所以内部的压力变小,大气压力比内部的压力为大,油罐就被压扁了。

5. 为何在密闭瓶中膨胀气球遵循亚佛加厥定律?
答:在宝特瓶中加入柠檬酸与烘焙苏产生二氧化碳气体,当充满整个瓶后,加入氢氧化钠溶液,在密闭瓶中的二氧化碳分子逐渐被吸收氢氧化钠而变少,在同温同压下,气体的体积与分子数(莫耳数)成正比,瓶内的体积必须缩小因而导致气球在密闭的瓶中膨胀。故本示範实验遵守亚佛加厥定律。

安全

● 示範这个实验最好戴安全眼镜及可丢弃的手套。
● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 示範后残留在宝特瓶里的液体不可以直接丢弃于垃圾桶中,应该先加入一点柠檬酸中和,再用大量的水稀释沖掉。
● 使用过的宝特瓶与气球应该先用水清洗,然后分类回收,不要再用它们来装水饮用或吹气球玩耍。

参考资料

1. 气球艺术大师的烦恼,2007 白沙化学惊奇秀,http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/12李佳昇8.pdf.
2. Avogadro’s Law, ThinkQuest, http://library.thinkquest.org/12596/avogadro.html.
3. Avogadro’s law, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Avogadro’s_law.
4. Atmospheric pressure, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_pressure.
5. Shui-Ping Yang, Household Products Used to Collapse Closed Containers and Demonstrate Avogadro’s Law, The Chemical Educator, 2002, Vol. 7, February, No. 1, pp. 37-39. 



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