摘要:通过实验研究粉笔的主要成分,并判断其溶解性,确定其在何种溶液中溶解度大,借此解决平常粉笔制造及使用过程中粉笔末多的问题,并提出黑白擦制作与应用方法。
关键词:粉笔 硫酸钙 强酸 铵盐
一、提出问题
目前粉笔广泛应用于教学活动,而使用时产生的粉笔末却随空气进入老师及前排学生的呼吸道,不利于健康,并且给值日生造成很大的困难,因此我提出如何可以使粉笔尽量少的产生粉笔末,便利教学活动,并有利于师生身体健康。
二、实验确定粉笔主要成分及其在各种物质中溶解情况
(一)定性分析
1.研磨粉笔,使其成粉末状。
2.配成溶液。
3、取上层溶液倒入三个试管中,标号A、B、C。
4.分别向四个试管中加入氢氧化钡、碳酸钠、盐酸观察现象。
5.确定粉笔主要成分为硫酸钙。
6.再取上层溶液倒入四支试管中,分别加入盐酸、醋酸、醋酸铵,硫代硫酸钠,观察现象。
7.硫酸钙在盐酸、醋酸铵溶液、硫代硫酸钠溶液中溶解性较强。
(二)定量分析
三、实验原理解释
(一)粉笔的成分
粉笔是由硫酸钙的水合物(俗称生石膏)制成。也可加入各种颜料做成彩色粉笔。在制作过程中把生石膏加热到一定温度,使其部分脱水形成熟石膏,后将熟石膏加水搅拌成糊状,灌入模型凝固而成。生石膏变成熟石膏的反应为(加热):
CaSO4·2H2O=CaSO4·H2O+H2O
熟石膏加水变成生石膏的反应为(常温):
CaSO4·H2O+H2O=CaSO4·2H2O
硫酸钙是白色单斜结晶或结晶性粉末。无气味。有吸湿性。128℃失去1分子结晶水,163℃全部失水。溶于酸、硫代硫酸钠和铵盐溶液,溶于400份水,在热水中溶解较少,极慢溶于甘油,几乎不溶于乙醇和多数有机溶剂。相对密度2.32。有刺激性。通常含有2个结晶水,自然界中以石膏矿形式存在。硫酸钙可用作磨光粉、纸张填充物、气体干燥剂以及医疗上的石膏绷带,也用于冶金和农业等方面。
(二)硫酸钙溶于酸
根据盐效应理论,加入酸后,除钙离子与硫酸根离子以外的其它离子都不能形成沉淀。同时,由于离子强度增加,离子间的相互牵制作用加强,使得钙离子与硫酸根离子在硫酸钙表面碰撞的几率降低,硫酸钙的沉淀变得更加困难,增加了硫酸钙的溶解度。而且,由于硫酸根离子可与氢离子结合为硫酸氢根离子,生成硫酸氢钙(易溶于水)使硫酸钙的溶解度增加。
(三)硫酸钙溶于醋酸铵溶液
根据盐效应原理:
醋酸铵是强电解质,在水中完全电离CH3COONH4=CH3COO-+NH4+硫酸钙属微溶物质,微电离CaSO4=Ca2++SO42-SO42-与NH4+形成的硫酸铵极易溶于水,因此促进了硫酸钙的电离,使得CaSO4=Ca2++SO42-的反应向右,硫酸钙的溶解度增大。
(四)硫酸钙溶于硫代硫酸钠溶液
硫代硫酸钠,又名大苏打、海波,为单斜晶系白色结晶粉末,易溶于水,不溶于醇,用于分析试剂等,用途非常广泛。化学式:Na2S2O3,比重1.667,受热易分解。
络合(Complexation)是电子对给予体与电子接受体,互相作用而形成各种络合物的过程。给予体有原子或离子,不论构成单质或化合物,凡能提供电子对的物质;接受体有金属离子和有机化合物。分子或者离子与金属离子结合,形成很稳定的新的离子的过程就叫络合反应,也成配位反应。
硫代硫酸钠具有很强的络合能力,它的水溶液能溶解卤素,能跟溴化银形成络合物,反应式:AgBr+2Na2S2O3=NaBr+Na3[Ag(S2O3)2],AgBr+2Na2S2O3=NaBr+Na3[Ag(S2O3)2]。硫酸钙溶于硫代硫酸钠溶液正是利用了络合反应,Ca离子作为络合物中心原子,生成硫代硫酸钙,可以溶解。
四、理论应用
一块黑板擦长12cm,宽5.5cm,高1.5cm,材料为毛毡(主要是羊毛和化纤合成),如果能将黑白擦用海绵制成,在每次使用前放在浓度较低醋酸铵的溶液中,再去擦黑板,可以减少产生粉笔末且易于清洗,简单用水冲洗即可。
参考文献:
[1]张英锋,张永安.新〈高中化学课程标准〉提高学生科学素养的理念[J].教育学报,2004,(11):40-45.
[2]肖雁.运用联合试验设计法确定盐效应适宜条件的研究[D].河北工业大学,2004.
[3]潘晓梅,肖国民,杨志才.盐效应数学模型及盐效分离过程综述[A].第七届全国精细化学品化学学术会议论文集[C],2004.
[4]杨林.金属络合反应的简介[DB/OL].上海轻工业研究所有限公司研发中心,2016-03-28.
(作者简介:仲凯音,山東省济南市山东省实验中学16级33班,学生。)