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第12章 化学小实验(2)

实验方法:

博物馆的陈列室里挂着很多幅名贵的油画,其中几幅雪景画得特别出色,白茫茫的大雪覆盖着大地,衬托出大自然中的万物更加生气勃勃。但是过了许多年之后,人们发现油画上的白雪慢慢地变成灰色了,大自然也变得死气沉沉了。

用什么办法来挽救这些名贵的油画呢?聪明的化学家拿来一瓶双氧水,他用棉花蘸上双氧水,轻轻地在油画上擦拭,最后获得了起死回生的效果,油画上又出现了茫茫的白雪。

要问这里的奥妙,不妨让我们来做一个化学实验,解释一下刚才发生的现象。

把一张吸水性比较好的白纸或滤纸贴在墙上,用毛笔蘸上0.5M醋酸铅溶液,在纸上写上“变色字画”四个大字。

在试管中加一小块硫化亚铁(FeS)固体,并加入少量6M盐酸(用粗盐酸就可以了),试管中就产生了硫化氢气体,立即将试管口对准白纸上写过字的地方,纸上就出现了灰黑色的“变色字画”四个大字,这是因为硫化氢气体与醋酸铅作用,生成了灰黑色的硫化铅:

FeS+2HCl=FeCl2+H2S↑

Pb(CH2COO)2+H2S=PbS↓+2CH3COOH

如果实验室有现成的饱和硫化氢溶液,那就不需要再制备硫化氢气体了。只要打开饱和硫化氢溶液的瓶盖,将瓶口对准白纸,也会出现灰黑色的大字。

下面就要开始第二部分实验了。这时,需要把制备硫化氢气体的试管拿开、洗净(如果用饱和硫化氢溶液,也要把它拿走),使空气中不再存在大量的硫化氢气体。然后用另外一支毛笔蘸上3%~5%过氧化氢溶液(即双氧水),涂在灰黑色的“变色字画”四个大字上。真奇怪,这四个大字立刻从白纸上消失了。原来,这时在白纸上又发生了另外一个化学变化,过氧化氢把灰黑色的硫化铅氧化了,变成了白色的硫酸铅,所以“变色字画”四个大字又不见了:

PbS+4H2O2=PbSO4+4H2O

做完这两个实验以后,你就知道化学家之所以聪明,就在于他有大量的化学知识和实验经验,他知道油画上的白雪,是用铅盐做成的油彩画上去的。

日子长了,铅盐和空气中的硫化氢气体化合,就使白色慢慢变成灰黑色了。

也许你会问,空气里哪里来的硫化氢气体?我们知道,煤里边就含有1%~1.5%的硫,石油产品中也含有硫,甚至动植物腐烂时也会生成硫的化合物,它们都是硫化氢的来源。难怪油画在博物馆里放久了,天天受到硫化氢气体的熏陶,白雪也就变成灰色了。

聪明的化学家了解到油画变灰的原因,便找到了使硫化铅变白的方法,这个问题也就迎刃而解了。

知识延伸:

这个故事能够给我们什么启发呢?原来在我们周围的世界,在我们天天碰到的日常生活小事中,的确有不少疑难问题需要我们去解决。怎样运用我们学到的化学知识去解决这些问题呢?就需要下一番功夫,不但要积累书本知识,最重要的是亲自到实验室进行实验,才会使我们真正地变得聪明起来。

不会流动的酒精

操作难度:★★

实验方法:

酒精是一种液体,这是不容怀疑的。既然是液体,它就会流动,那么,不会流动的酒精又是什么物质呢?它的外形又是怎样的呢?最好还是你亲手试验一下吧!

在一只烧杯中加入90毫升无水乙醇(如果找不到无水乙醇,可以用氧化钙固体将普通的乙醇脱水干燥,然后滤掉氧化钙,即可使用),然后将10毫升饱和醋酸钙溶液加到无水乙醇中(注意:不可搅拌),则乙醇立刻结冻。

这时将烧杯倒置过来,让杯口朝下,乙醇也不会从烧杯中流出。可以用小刀沿着烧杯的内壁将胶冻挖出,把它放在铁片上,用火点燃,它能像普通的液体酒精一样的燃烧。

把5克无水氯化钙固体溶解在20毫升无水乙醇中,然后把这一溶液加到盛有8毫升40%氢氧化钠溶液的烧杯中(不要搅拌),也能得到一种白色的软块。用小刀刮出,放在铁片上,也能燃烧。

做完这两个实验以后,你一定不再怀疑,酒精也可以是不流动的。如果你求知心切的话,一定还会追问,这种不会流动的酒精叫什么?它是怎样形成的?

知识延伸:

一般人把这种胶状的酒精称为固体酒精。因为普通的酒精都是液体,要用玻璃瓶包装,如果是在野外工作,携带和运输均感到不便。于是人们就想出了加醋酸钙的办法,做成了固体酒精,专为野外使用。

也许你还会进一步问,固体酒精是像氯化钠那样的晶体呢,还是像玻璃那样的透明的无定形物质呢?都不是。实际上,固体酒精是一种胶体,不是像氢氧化铁溶胶那样的胶体溶液,而是一种凝胶,和肉冻一样,比较柔软而富有弹性,但不会流动。

下面再谈一谈这种胶冻状的凝胶是怎样形成的。当我们把无水乙醇和饱和醋酸钙溶液混合以后,因为乙醇分子与水分子有强大的亲合力,所以乙醇就把饱和醋酸钙溶液中的水分子夺走,形成了水合酒精。饱和醋酸钙溶液则因失去了水,变成了一种特殊的胶体——凝胶(要知道,脱水也是制备胶体的一种方法)。醋酸钙溶液就从液相变成了固相,这种固相是一种具有立体网状结构的多孔物质,里面有许多孔隙,水合酒精钻到这些孔隙中,就再也流不出来了。

从固体酒精形成的原因来看,形成的应该是一种醋酸钙凝胶(注意,绝不是酒精凝胶)。其实,这一概念你并不陌生,在中学化学课本“胶体”这一节中,就讲到了往偏硅酸钠溶液里加入盐酸,就可以生成硅酸凝胶,它和固体酒精是同一类物质,不信,你也可以亲自动手做一做硅酸凝胶。

人造钟乳石

操作难度:★★

实验方法:

取一只细口的塑料瓶(也可以用装眼药水的塑料瓶或玻璃瓶),在它的塞子上钻一个小孔。把几根棉线拧成一股细绳(或者将粗的棉线绳拆成几小股,取其中的一股),然后将棉线穿过塞子上的小孔,使露在塞子外面的棉线长度为0.5厘米左右。

在塑料瓶内装上饱和硫酸镁(MgSO4)溶液,将塞子塞严,然后把塑料瓶倒置悬挂,使塑料瓶的瓶口比桌面高出1尺左右。在瓶口的正下方,放一块硬纸板。

不久,饱和硫酸镁溶液就会慢慢地从棉线上渗透下来,由于渗透得很慢,随着水的蒸发,棉线的顶端就会有硫酸镁晶体生成,并且缓慢地往下生长。当棉线的尖端逐渐积聚了硫酸镁溶液的液滴时,它就会滴在下面的纸片上,这样纸上的硫酸镁又会往上生长,逐渐长成一支石笋。一天以后,你就可以看到你的劳动成果了:透明的钟乳石形状与溶洞中的一样。虽然它也需要经过一天一夜的时间才能长成,但是比起大自然的雕刻家的速度却要快多了。

如果你准备几个塑料瓶,里面都装好饱和硫酸镁溶液,并分别在其中加一点硝酸铜、硫酸镍、硝酸钴等有颜色的化合物,那么,最后长成的钟乳石还可以带有各种不同的颜色,这样你就会觉得更有趣了。

知识延伸:

你参观过桂林的七星岩、南宁的伊林岩、宜兴的善卷洞和北京房山的云水洞吗?在这些奇妙的溶洞中,到处都是石笋、石钟乳、石花、石幔,它们千姿百态,栩栩如生,使你不得不钦佩大自然的这一杰作。那么这伟大的雕刻家究竟是谁呢?原来,这位手艺高超的石匠就是我们大家最熟悉的、每时每日都离不开的“水”。

别看岩石那么大,又那么硬,它们在水的面前却变得软弱无能。地下水中含有比较多的被溶解了的二氧化碳气体,它与岩石中的碳酸钙作用后,变成了碳酸氢钙溶液:

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

当碳酸氢钙溶液从岩石的缝隙中一滴一滴地流出来的时候,由于受的压力减少,溶液中的二氧化碳又会跑出来,使碳酸氢钙分解为碳酸钙。当水蒸发以后,在水的滴落处就会留下碳酸钙的痕迹。这一作用虽然很慢,而且生成的碳酸钙的量可以说是微乎其微的,但是天长日久、日积月累,一根根悬挂在洞顶下的石钟乳和直立在地面上的石笋也就应运而生了。

从碳酸氢钙的分解,一直到长成一根石钟乳或一支石笋,过程是非常非常缓慢的,往往需要经过几百年或更多一点的时间。我们每个人都不可能见到它们生长的全过程。上面的这个小实验,就是模拟这些石笋形成的过程的。

金属霜花

操作难度:★★

实验方法:

冬天的清晨,玻璃窗上常常会结上一层美丽的霜花,朝阳透过霜花,使你如同置身在冰雪世界中。如果你在夏天也要领略一下这种美丽的景色,最好做一些人造霜,这些霜是用金属做的,不论春夏秋冬,永不消失。

当然,在开始时,你可以用少量的药品和材料做一个小试验。取两小块擦得很干净的玻璃片(其中的一块可以略小一些)。

先在较大的玻璃片的中央放一小块薄锌片,在小的玻璃片的边角上滴一滴1%硝酸银溶液。然后轻轻地把两块玻璃片压在一起,这时,硝酸银溶液就会慢慢地在两块玻璃片的中间扩散开来,而与锌片相接触,于是锌置换硝酸银中银离子的反应就开始了。

2AgNO3+Zn=2Ag+Zn(NO3)2

由于溶液很稀,又很少,所以置换反应进行得很慢,经过一段比较长的时间后,在玻璃片上长出了银树。由于这种银树的形状是扁平的,就像贴在玻璃片上一样。它在阳光下闪闪发光,跟你在严冬季节看到的玻璃窗上的霜花一模一样。

知识延伸:

如果你的小试验很成功,就可以进行放大试验。不过,小试验放大,也像把科研成果搬进大工业生产一样,不一定能够一次成功。也许,你还得花费不少的时间和精力,但是,请相信,这些精力是决不会白白浪费掉的。

小火箭

操作难度:★★

实验方法:

一听说火箭,你一定会联想到那庞大的火箭发射架,结构精密的火箭筒,以及筒内装的昂贵的高能燃料。而且,你未必有机会亲眼看到发射火箭,更不用说自己亲自动手试一试了。但是,如果你要自己制作一只小型的“玩具火箭”,也不是一件很困难的事情。

首先,你去找一小块白色的可发泡沫塑料(它一般作包装仪器和仪表用,是一种白色泡沫硬块),这囊塑料有一个优点,重量非常轻,也很容易用剪刀或小刀加工成各种形状。把泡沫塑料块做成火箭的箭头形状,在它的尾部插一根细木棍。

在一只广口瓶上配上一个橡皮塞(或用软木塞)。广口瓶的大小以50~60毫升为宜,瓶子太大了,瓶内不能产生很大的压力,发射不了火箭。在橡皮塞上钻两个孔,一个孔内插入一支滴管,滴管是装过氧化氢溶液用的,在另一个孔内插一支玻璃管,玻璃管的粗细要和小火箭尾部的细木棍匹配。细木棍应尽量削圆,它比玻璃管的内径略细,装在玻璃管中后能够灵活地上下移动。

有了这些材料以后,就可以开始发射火箭了。在广口瓶的底部加少量二氧化锰固体(广口瓶要干燥),滴管内吸入几毫升25%~30%过氧化氢溶液,然后把橡皮塞塞在广口瓶上,再把小火箭尾部的细木棍插进玻璃管内。

在发射火箭时,只要挤压滴管上的胶头,把过氧化氢溶液加到广口瓶中,过氧化氢滴在二氧化锰固体上,立即分解出大量的氧气(二氧化锰是催化剂):

2H2O2MnO22H2O+O2↑

大量的氧气使广口瓶内产生很大的气压,因此小火箭便向上冲出达1~2米。

知识延伸:

平时离我们很远的东西,看起来挺神秘的。其实,只要动动脑筋,我们就可以用已经学过的知识来解释它们了。

烧不坏的手帕

操作难度:★★

实验方法:

你也许看到过,魔术师手里拿了一块手帕,放在清水中一泡,取出以后用火柴把它点着,手帕就烧起来了。以后他把手帕摇晃几下,火又熄灭了。

你可能以为手帕已经烧坏了,但仔细一看,一点也没有坏。不信,你可以亲自试验一下。

取20毫升普通酒精和10毫升水,混合均匀以后(如果没有酒精,也可以用白酒代替,但不必再往里加水了)把一块手帕放在里面。待手帕浸透液体以后取出,用镊子夹住。等到手帕不再大量滴水时,就可以用火柴将它点着,手帕立即着起火来。过一会儿,当火焰变小时,摇晃一下手帕,火就会熄灭。你再看看手帕,它和原先一样,一点也没有烧坏。

知识延伸:

这个实验的道理很简单:因为手帕浸了酒精的水溶液以后,着火的只是酒精;当酒精快要烧完时,手帕上还有很多水,水遇热后就要变成水蒸气,而这是需要吸收大量的热的。所以酒精燃烧后,热量都被用来使水变成水蒸气了,手帕的实际温度并不同,虽然看起来似乎烧着了,但这时的温度还达不到棉纤维的着火温度呢!

小蛋变大蛋

操作难度:★★★

实验方法:

看到这个标题,你一定会感到奇怪,这算什么化学实验。但是你切莫心急,只要你耐心地去做,不仅可以把小蛋变成大蛋,还可以再把大蛋变小蛋,而这些变化用的都是化学方法。

把一个比较小的鸡蛋,放在一小碗6M盐酸里,不时转动鸡蛋,让鸡蛋壳与盐酸充分作用。几分钟后,盐酸就会把鸡蛋壳都溶解掉,使鸡蛋变成一个很软的被一层薄膜包围起来的蛋白和蛋黄。鸡蛋壳的成分是碳酸钙,它在盐酸的作用下会全部溶解。

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

鸡蛋壳被溶解后,小心地将碗倾斜,慢慢地把碗里的盐酸倒在另一个瓶内(供做下一个实验用)。在碗内换进清水,再把水倒掉,这样反复几次,直到把鸡蛋表面的盐酸和碗里残存的盐酸都洗掉为止。清洗时一定要小心,不要把鸡蛋表面的薄膜弄破。

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