对“喷泉”实验的研究设计，本文主要内容关键词为：喷泉论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
学生通过氯化氢、氨气性质的学习了解了化学模拟喷泉实验的实质，同时对喷泉实验产生了浓厚的兴趣。在学习过程中，往往会提出其他许多问题，例如：
（1）喷泉实验的原理究竟是什么？
（2）成功演示化学模拟喷泉实验的关键是什么？
（3）气体在水中溶解度多大才能形成喷泉？
（4）不易溶于水的气体是否也可以做喷泉实验？
（5）应如何选择喷泉溶液？
（6）喷泉的胡色由什么来决定？
对于这些问题的探索和研究，可以帮助学生对喷泉实验的原理、条件、实验装置的设计及改进等有关知识和技能有进一步的认识、拓展。
一、研究主题
1.分析研究气体能形成喷泉的原理、条件和关键。
2.分析研究使喷泉呈现不同颜色的原因和条件。
二、研究过程
1.探讨分析形成喷泉实验的原理及关键。
[实验]氨气（或氯化氢）的喷泉实验
[原理]如图1，烧瓶通过玻璃管与塑料瓶组成一个连通器，轻轻挤压塑料瓶，向烧瓶内挤入少量的水，由于部分氨气或氯化氢溶解在少许水中，造成烧瓶内气压急剧降低，低于大气压，大气压把塑料瓶中的水压进烧瓶，立即形成喷泉。
[关键]降低烧瓶内的气压是形成喷泉的关键。
2.探讨分析气体在水中溶解度多大才能形成喷泉。
如图2，假定烧杯内液面到尖嘴玻璃管顶端高度为30cm，圆底烧瓶容积为V[，瓶]，从胶头滴管中挤出的水为0.5mL。以圆底烧瓶内收集的氨气为研究对象。反应前，烧瓶内气体的压强与外界大气压是相等的，设为p[，0]，当挤压滴管里的水进入圆底烧瓶，烧瓶内的氨气部分溶于0.5mL水中，此时瓶内氨气体积减少，气体压强降低。松开弹簧夹，烧杯内的水沿着导管开始上升。我们以水刚升到烧瓶内导管口这一位置作为一个状态，并设此时烧瓶内的气体压强为p，根据物理学的知识可得p=p[，0]-p[，水柱]此时氨气的体积变为V。根据气态方程得出以下关系式：
V′＞V[，瓶]，即气体的体积发生了膨胀，但此时瓶内气体的体积应仍与圆底烧瓶的容积相同，那么为何会多出0.03V[，瓶]？其实这就是被0.5mL水所吸收的那部分氨气。这部分体积与剩余气体所占的体积V[，瓶]之和，就是第二状态气体所应有的体积V′。若[，瓶]的体积是500mL，那么0.03V[，瓶]为15mL，则1mL水中溶解30mL气体。
0.5mL水中溶解15mL气体，则1mL水中溶解30mL气体，由此可得出结论：
常温下1体积水中溶解气体的体积大于30体积，即可形成喷泉。通过资料查阅，可知下列气体如SO[，2]、HCl、HBr、HI、NH[，3]等在室温条件下都可以做喷泉实验。
3.探讨分析形成喷泉的条件。
形成喷泉实验的关键条件是减少瓶内气体。由气态方程p=nRT/V可知，减少瓶内气压的方法有三种：一是减少瓶内气体的物质的量；二是降低气体的温度；三是增大瓶内气体的体积。
（1）怎样才能减少瓶内气体的物质的量？
在喷泉实验中，常用溶解吸收方法来达到此目的，显然这与溶剂有关。
①对于易溶于水的气体。如HX、NH[，3]，溶剂选水就可以达到此目的。
②对于不易溶于水，但易溶于有机溶剂的气体，可选择相应的有机溶剂。如Cl[，2]易溶于
，
等有机溶剂，可用或代替水做Cl[，2]的喷泉实验。
[实验验证]Cl[，2]在溶液中的喷泉实验。
装置如图3，圆底烧瓶内收集满Cl[，2]，胶头滴管内装入CCl[，4]溶液，烧杯内盛水。挤压胶头滴管内少许CCl[，4]进入烧瓶，使Cl[，2]溶于CCl[，4]，减小烧瓶内气体的压强，最终形成喷泉。
③对于在水中溶解度比HX、NH[，3]小得多的气体，如
等可选择能与气体发生反应的溶液改变吸收条件产生喷泉现象。
[实验验证]CO[，2]气体在NaOH溶液中的喷泉实验。
装置如图3，在圆底烧瓶内收集满CO[，2]气体，胶头滴管内吸入NaOH溶液，烧杯内盛酚酞溶液。挤压胶头滴管内NaOH溶液进入烧瓶，使NaOH溶液与CO[，2]反应，减少CO[，2]的分子数，以减小烧瓶内的压强，从而形成红色喷泉。
用NaOH溶液代替水也可做成喷泉实验，由此可得出，不易溶于水的气体，若能溶于碱，则可用NaOH或KOH碱溶液代替水做成喷泉实验，如Cl[，2]、H[，2]S等气体可用此法做成喷泉实验。同理，若能溶于酸，可用酸代替水做喷泉实验。例如在氨的喷泉实验的基础上将滴管内的水改为稀盐酸，使氨气和酸反应以减小瓶内气体体积。
此外，也可通过使气体和别的物质发生反应减小压强，或反应后再加溶剂来形成喷泉。例如，让镁条和CO[，2]发生燃烧反应，SO[，2]和H[，2]S（体积比为1∶2）相混合发生反应后再和水接触产生喷泉现象。
（2）怎样才能降低烧瓶内气体的温度？
[探索实验]装置如图3，在干燥烧瓶内加入少量浓氨水，用酒精灯微热至浓氨水完全挥发为止，然后用带有尖嘴玻璃管的单孔橡皮塞塞紧瓶口，倒立水中，此时，因内外气压相等，不产生喷泉。当在圆底烧瓶上放一只冰水袋后，由于烧瓶内气体温度降低，喷泉立即形成。
（3）怎样才能增大瓶内气体的体积呢？
[探索实验]装置如图3，将胶头滴管改为玻璃管，在玻璃管上，连接一个挤扁的洗耳球。待烧瓶内收集满NH[，3]后，松开洗耳球的夹子，烧瓶内气体就会自动进入洗耳球，从而达到增大气体的体积，减少瓶内气压的目的，通过此法也可形成喷泉。
4.喷泉颜色的研究。
通过分析研究可知喷泉的颜色由以下条件所决定。
（1）由溶液的酸碱性决定。
氨气溶于水显碱性，向烧杯中的水溶液滴加酚酞，酚酞遇碱显红色，因此形成了红色喷泉。若改用紫色石蕊试剂，则会形成蓝色喷泉。有时使用特制的混合试剂还会出现不同颜色的变色喷泉。
氨气极易溶于水，通常情况下1体积水溶解700体积的氨气。氨气的pH约为12；醋酸水溶液的pH约为3，将醋酸水溶液代替水喷入盛氨气的烧瓶中，酸碱发生中和反应。
pH发生一系列变化，可使混合指示剂在不同的pH时显示不同的颜色。根据上述原理可设计如下变色喷泉实验。
[探索实验]装置如图1所示，在干燥的500mL圆底烧瓶中收集一瓶氨气。在500mL塑料瓶中加入2/3体积的0.1mL·L[-1]醋酸溶液，并滴入少量混合指示剂，使溶液呈红色。
用手挤压塑料瓶，将极少量的醋酸水溶液压入圆底烧瓶中，由于溶液pH的改变，醋酸溶液进入烧瓶内形成喷泉的颜色呈现红→紫→绿→黄→红的变化。
（混合指示剂配制方法如下：百里酚蓝0.1g、甲基红0.1g、溴百里酚蓝0.05g、酚酞0.1g，溶于200mL中性酒精中，加水后用0.1mol·L[-1]氢氧化钠溶液中和至黄绿色，加水稀释至400mL。）
（2）由气体与液体反应后的生成物所决定。
喷泉溶液的颜色还可通过瓶内气体与所选的特定溶液反应后得到生成物的颜色决定。
[探索实验]装置如图3，圆底烧瓶内装满水溶性不大的Cl[，2]，滴管中预先吸入NaOH溶液，烧杯里盛有AgNO[，3]溶液（或淀粉碘化钾溶液或NaBr溶液）。挤压滴管胶头
三、对研究结果的归纳和结论
常见较易形成喷泉实验的组合
通过实验研究和文献资料分析可得出如下结论：
1.形成喷泉实验的关键条件是减少瓶内气压。
方法有以下三种：
（1）减少瓶内气体的物质的量。途径是根据气体性质，选择不同溶剂；
（2）降低瓶内气体的温度。途径是采用冰水袋冷却烧瓶，使瓶内气体温度降低；
（3）增大气体的体积。途径是改变烧瓶的容积。
2.喷泉颜色主要是由酸碱指示剂的选择及反应得到的生成物性质所决定。