氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂原因的探究實(shí)驗(yàn)

摘要：

對(duì)氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的原因開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)一在量筒中加入無(wú)水乙醇分別浸沒(méi)氧化鈣和氫氧化鈣兩種固體粉末，可測(cè)得粉末的體積，從而計(jì)算它們的真密度。結(jié)果表明，氧化鈣吸水變成氫氧化鈣后，真密度從3.45g/cm3變?yōu)?.33g/cm3，質(zhì)量是原來(lái)的1.32倍，相當(dāng)于真體積膨脹至原體積的1.95倍。實(shí)驗(yàn)二讓10cm3氧化鈣粉末充分吸收水蒸氣3天，再放回到量筒中重新測(cè)量體積，發(fā)現(xiàn)粉末堆積體積增大至22cm3。因此，試劑瓶破裂的原因是氧化鈣受潮吸水后體積大幅膨脹。關(guān)鍵詞：氧化鈣；氫氧化鈣；真密度；視密度；實(shí)驗(yàn)探究人教版九年級(jí)《化學(xué)》教材上冊(cè)有一道習(xí)題：“有位化學(xué)教師取用生石灰時(shí)，發(fā)現(xiàn)裝滿生石灰的塑料試劑瓶已經(jīng)膨脹破裂。你能解釋這是為什么嗎？［1］”教師參考用書(shū)提供的參考答案是：“生石灰在保存過(guò)程中吸收空氣中的水，發(fā)生反應(yīng)而放熱膨脹，導(dǎo)致塑料試劑瓶膨脹破裂。”但是，無(wú)論試劑瓶密封或不密封的情況，參考用書(shū)的解釋從理論上都是站不住腳的［2］：如果試劑瓶不密封，雖然允許空氣中的水蒸氣進(jìn)入，但瓶?jī)?nèi)氣體遇熱膨脹后便也能夠飄散到瓶外，不至于使試劑瓶?jī)?nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大；如果試劑瓶密封，瓶?jī)?nèi)的水蒸氣含量非常少，不足以反應(yīng)后產(chǎn)生大量的熱，增大氣體壓強(qiáng)使試劑瓶撐破。因此，本文設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，帶學(xué)生探究氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的真正原因。1

實(shí)驗(yàn)原理1.1

氧化鈣與水反應(yīng)的歷程氧化鈣與水蒸氣生成氫氧化鈣的反應(yīng)，方程式為CaO（s）+H2O（g）Ca（OH）2（s），反應(yīng)過(guò)程可以分為3個(gè)階段（見(jiàn)圖1）［3］。第1階段，氧化鈣顆粒的外表面與水蒸氣接觸，迅速在外表面生成致密的氫氧化鈣薄膜，這一階段反應(yīng)速率較快。第2階段，由于受到氫氧化鈣薄膜阻隔，外層水蒸氣難以與顆粒內(nèi)核的氧化鈣直接反應(yīng)，而是先溶解“外層Ca（OH）2”形成過(guò)飽和溶液，然后通過(guò)滲透、擴(kuò)散不斷與內(nèi)層氧化鈣反應(yīng)形成“內(nèi)層Ca（OH）2”，此時(shí)外層的過(guò)飽和溶液會(huì)重結(jié)晶為固體的“外層Ca（OH）2”。第3階段，隨著“外層Ca（OH）2”厚度的增加，Ca（OH）2會(huì)受內(nèi)部應(yīng)力和外部擾動(dòng)，碎裂為鱗片狀，變得疏松。1.2

固體粉末密度的兩種表征方式由于固體粉末結(jié)構(gòu)的特殊性，其密度可用真密度（truedensity）和視密度（apparentdensity）等不同方式表征。真密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)的狀態(tài)下的密度，即去除顆粒間空隙后的密度；視密度又名視相對(duì)密度，是指粉料自由填充時(shí)的密度，即包括顆粒間空隙的密度［4］。兩者的計(jì)算公式如下：ρ真=m/V真ρ視=m/（V真+V空）式中：ρ真——真密度，ρ視——視密度，V真——粉末的真體積，V空——空隙體積。在本研究中，氧化鈣轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}時(shí)，密度變化源自于兩個(gè)方面：（1）物質(zhì)轉(zhuǎn)變自身；（2）介觀結(jié)構(gòu)變化。對(duì)于前者，為排除材料孔隙對(duì)密度變化的影響，將采用真密度作為比較依據(jù)；而對(duì)于后者，介觀孔隙結(jié)構(gòu)在密度變化過(guò)程中扮演著重要角色，因此適合采取視密度作為表征依據(jù)［5］?；谏鲜鲇懻摽煽偨Y(jié)出氧化鈣塑料試劑瓶膨脹破裂的真正原因：（1）在第1、2階段，氧化鈣變成氫氧化鈣，真密度變小，體積膨脹；（2）在第3階段，氫氧化鈣由球殼形狀變成鱗片形狀，微觀層面顆粒之間的空隙增大，宏觀層面變蓬松，視密度變小，體積進(jìn)一步膨脹。2

解釋真密度減小的實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量和比較CaO、Ca（OH）2固體粉末的真密度差異。學(xué)生已經(jīng)在物理課上學(xué)習(xí)了多種測(cè)量固體密度的方法，基本計(jì)算公式為：密度ρ=質(zhì)量m/體積V，質(zhì)量m可以用電子秤稱量，而測(cè)量CaO、Ca（OH）2固體粉末的體積V對(duì)學(xué)生而言是一個(gè)新的問(wèn)題。測(cè)量V的常用方法是把固體浸入量筒的水中，讀出浸入前體積V1和浸入后體積V2，其差值即為固體體積：V固體=V2－V1。但是，CaO一旦浸入水中，就會(huì)與水發(fā)生劇烈反應(yīng)。因此，學(xué)生想到可以用一種不與CaO反應(yīng)的液體——無(wú)水乙醇來(lái)浸沒(méi)固體粉末。2.1

實(shí)驗(yàn)用品試劑：氧化鈣（分析純）、氫氧化鈣（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）儀器：分度值0.01g的電子秤、50mL量筒、漏斗、藥匙、玻璃棒、滴管2.2

實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果（1）在量筒中倒入接近15mL的無(wú)水乙醇，然后用滴管逐滴滴加至15.0mL刻度線；（2）用電子秤準(zhǔn)確稱量10.00gCaO固體粉末，通過(guò)漏斗倒入量筒中攪拌，并用藥匙把粘在量筒內(nèi)壁的粉末刮落，讀出此時(shí)量筒示數(shù)V2；（3）計(jì)算V氧化鈣=V2－15.0mL，ρ氧化鈣=10.00g/V氧化鈣；（4）把稱量的10.00gCaO粉末換成等質(zhì)量的Ca（OH）2粉末，重復(fù)上述步驟，測(cè)算得到V氫氧化鈣和ρ氫氧化鈣。（5）實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表1所示。ρ氧化鈣為3.45g/cm3，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比偏大3.9%；ρ氫氧化鈣為2.33g/cm3，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比偏大4.0%。結(jié)果顯示ρ氫氧化鈣是ρ氧化鈣的0.68倍，即等質(zhì)量的氫氧化鈣體積是氧化鈣的1.48倍。在反應(yīng)過(guò)程中，氫氧化鈣質(zhì)量還會(huì)比原先的氧化鈣增大74/56=1.32倍（因?yàn)榻Y(jié)合了水），因此真正膨脹的體積為1.48×1.32=1.95倍，這是使試劑瓶破裂的原因之一。2.3

幾點(diǎn)說(shuō)明（1）分析純的無(wú)水乙醇中只含有極少量（0.5%）的水，可以忽略不計(jì)。（2）浸液的選取需要滿足三個(gè)條件：①不與粉體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；②能夠浸潤(rùn)粉體；③表面張力盡可能小，從而盡可能完整地填充粉體中的孔隙而不形成氣泡。除無(wú)水乙醇外，還可以用丙醇、丁醇、液態(tài)烷、液態(tài)酯等。（3）對(duì)于真密度的變化，從晶體結(jié)構(gòu)層面來(lái)看（見(jiàn)圖2），CaO屬NaCl型結(jié)構(gòu)，Ca2+與O2-作面心立方堆積，二者以離子鍵相結(jié)合；而在Ca（OH）2中，OH-與Ca2+形成層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)通過(guò)離子鍵相結(jié)合，而層間主要通過(guò)氫鍵相結(jié)合［6］，作用力相較于CaO小得多，層間距也使得層狀的Ca（OH）2的密度顯著小于CaO。3

解釋視密度減小的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上，試劑瓶中的氫氧化鈣密度比理想的真密度更小，因?yàn)轭w粒之間存在空隙，用視密度來(lái)計(jì)算更為合適。本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生直觀感受到兩種密度的差異，認(rèn)識(shí)到視密度更適合試劑瓶中的實(shí)際情況。3.1

實(shí)驗(yàn)用品試劑：氧化鈣（分析純）、無(wú)水硫酸銅、蒸餾水儀器：分度值0.01g的電子秤、50mL量筒、藥匙、表面皿、海綿、塑料尺、試管、酒精燈、干燥管3.2

實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果（1）用藥匙把氧化鈣粉末放入50mL量筒中，直到10mL刻度處（V氧化鈣=10cm3），注意在此過(guò)程中輕輕敲擊、震動(dòng)量筒，使粉末表面平整。（2）把10cm3氧化鈣粉末倒入表面皿中，均勻鋪開(kāi)。（3）在表面皿上方架2把塑料尺，在塑料尺上方覆蓋一塊濕潤(rùn)的海綿（注意海綿不能太濕，不要讓液態(tài)水滴下），靜置3天。此時(shí)可以看到，隨著氧化鈣與水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化鈣，部分粉末發(fā)生了結(jié)塊成團(tuán)（見(jiàn)圖3）。（4）把反應(yīng)后的粉末放回量筒，發(fā)現(xiàn)體積超過(guò)22mL，說(shuō)明固體體積膨脹超過(guò)了真密度的比例（1.95倍），而實(shí)際情況應(yīng)采用視密度。這是因?yàn)闅溲趸}的介觀形貌發(fā)生了變化，形成鱗片狀孔隙結(jié)構(gòu)（已有研究的SEM圖像見(jiàn)圖4），使得材料體積在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加。（5）用藥匙取少量久置后的粉末放入試管中，用酒精燈加熱，把氣體通入盛有無(wú)水硫酸銅的干燥管，觀察到白色粉末變藍(lán)，證明粉末久置后轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}。3.3

幾點(diǎn)說(shuō)明（1）在把粉末加入量筒時(shí)，如有粉末粘在量筒內(nèi)壁，可用藥匙將其刮落。實(shí)驗(yàn)完畢的量筒可用稀鹽酸清洗。（2）若要直觀演示視密度比真密度小，教師可以往氫氧化鈣粉末中滴加無(wú)水乙醇，可以發(fā)現(xiàn)固體粉末出現(xiàn)大幅塌陷。然后引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想生活場(chǎng)景：在沙子中倒水，體積不僅沒(méi)有增大，反而“凹陷”了下去。這些現(xiàn)象說(shuō)明，視密度囊括了粉末空隙中的空氣，因此比真密度小。4

避免試劑瓶膨脹破裂的方法（1）每次取用試劑后蓋緊瓶蓋，防止水蒸氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)發(fā)生反應(yīng)。（2）蓋緊的瓶蓋也可能有輕微漏氣，可用多層塑料膜覆蓋瓶口，用線繩把塑料膜緊緊纏繞在瓶頸，形成“緩沖式保護(hù)”，可有效阻隔氣體的流通［10］。（3）市售氧化鈣試劑瓶大多是白色半透明的，可定期用強(qiáng)光手電照射，觀察瓶?jī)?nèi)粉末的高度，如果接近瓶口應(yīng)及時(shí)處理。（4）可搖晃試劑瓶，排除一部分瓶?jī)?nèi)粉末間的空隙，提高粉末的堆積密度［11］。5

結(jié)語(yǔ)本實(shí)驗(yàn)起源于“氧化鈣試劑瓶膨脹破裂”的現(xiàn)象，在探究過(guò)程中，一方面讓學(xué)生從宏觀層面認(rèn)識(shí)到氧化鈣到氫氧化鈣真密度的降低，以及視密度的進(jìn)一步降低，解釋了試劑瓶破裂的真正原因。另一方面通過(guò)微觀探析，讓學(xué)生理解氧化鈣與水反應(yīng)的三個(gè)階段，加深對(duì)反應(yīng)歷程的認(rèn)識(shí)。本實(shí)驗(yàn)無(wú)論作為演示實(shí)驗(yàn)還是課后拓展實(shí)驗(yàn)，都建議教師帶領(lǐng)學(xué)生從理論探討中形成假設(shè)——由微觀層面的CaO和Ca（OH）2的化學(xué)鍵結(jié)合強(qiáng)度差異推測(cè)真密度的不同，由介觀層面的氫氧化鈣顆粒形貌推理視密度較小，然后通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合、實(shí)驗(yàn)探究的素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)：［1］義務(wù)教育教科書(shū)·化學(xué)·九年級(jí)上冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2012：148.［2］塑料瓶到底是怎么脹破的［J］.理科考試研究，2019，26（10）：58～59.［3］生石灰消化反應(yīng)條件對(duì)氫氧化鈣特性影響［J/OL］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)：114［20231112］.DOI：10.19964/j.issn.1006-4990.20230051.［4］灰分和硫含量對(duì)煤的