刍议气压变化在化学实验中的应用与防范

宁夏

气压是气体压强的简称。气压产生的原因是大量气体分子对器壁持续的、无规则的撞击，气压变化在科学研究和日常生活中都有广泛的应用。在中学化学实验中可应用气压变化保障实验顺利进行，但也要防范气压变化对实验造成干扰。

一、引起气压变化的原因分析

引起气压变化的原因主要有温度、容器的体积、气体物质的量等。分析如下：

1.容器体积(V)和气体物质的量(n)不变时，气体压强(p)与温度(T)成正比；

2.温度(T)和气体物质的量(n)不变时，气体压强(p)与容器体积(V)成反比；

3.温度(T)和容器体积(V)不变时，气体压强(p)与气体物质的量(n)成正比。

二、应用气压变化保障实验顺利进行

1.应用在装置气密性的检查中

装置的气密性良好是保障实验顺利进行的前提。检查装置气密性的原理是通过改变温度或气体的体积从而改变压强，再通过气泡的产生、水柱的形成、液面的升降等现象来判断装置的气密性是否良好。

图1

图2

图1装置气密性检查的原理是容器体积(V)和气体物质的量(n)都不变时，气体压强(p)与温度(T)成正比。方法是将导管伸入水中，用手捂热(或用酒精灯微热)试管，如果导气管末端产生气泡，松手后(或撤去酒精灯)导管末端有一段水柱形成，则证明装置气密性良好。

图2装置气密性检查的原理是温度(T)和气体物质的量(n)都不变时，气体压强(p)与体积(V)成反比。方法是关闭导气管，向球形漏斗中加水，使漏斗中的液面高于容器内的液面，一段时间后，如果液面差不变，则证明装置气密性良好。

其他装置气密性检查的原理和方法参见上述论述。

2.应用在部分物质的顺利制备中

利用密闭体系中产生的气体会形成较大压强的原理可实现部分实验的顺利进行。

制备一定量的H2时，可用图3装置。将Zn粒放到有孔塑料板上，长颈漏斗中加入稀H2SO4，稀H2SO4与Zn粒接触产生氢气。通过关闭弹簧夹(气体增多，气压增大，长颈漏斗中液面上升，液体与固体分离，反应停止)或打开弹簧夹(气体减少，气压减小，长颈漏斗中液面下降，液体与固体接触，反应发生)控制反应的停止和发生。

图3

图4

制备一定量Fe(OH)2白色沉淀时，可用图4装置。在试管Ⅰ中加入铁屑和少量稀H2SO4，试管Ⅱ里加入大量NaOH溶液，当试管Ⅱ中持续产生气泡时，关闭止水夹，由于Ⅰ中气体量增加，气压增大，试管Ⅰ中溶液就会进入试管Ⅱ中，使试管Ⅱ中产生大量Fe(OH)2白色沉淀。并且由于试管Ⅱ中的O2已经被生成的H2排干净，所以生成的Fe(OH)2白色沉淀能保持较长时间，不被氧化。

3.应用在理解物质性质或反应原理中

(1)用来理解喷泉实验原理

图5

喷泉实验可以说明气体的溶解性或与其他试剂的反应情况。中学化学中常见的喷泉实验装置如图5所示，烧瓶内气体溶解于烧杯中的试剂或与烧杯中的试剂发生反应，导致烧瓶内气体分子数目急剧减少，烧瓶内气压急剧降低，外界大气压将烧杯内的水通过导管压至烧瓶内形成喷泉。

为保证实验的顺利发生所采取的措施主要有两种：一是打开止水夹，在烧瓶上敷热毛巾，使烧瓶内气压增大，气体分子与烧杯中的试剂接触进而溶解或发生反应，使烧瓶内压强减小，短时间形成压强差，形成喷泉；二是打开止水夹，挤压胶头滴管，使烧瓶内气体与烧杯中的试剂接触进而溶解或发生反应，烧瓶内气体溶解或与试剂发生反应，导致烧瓶内气体的量瞬间减少，短时间内产生压强差，形成喷泉。

(2)用来理解钢铁腐蚀原理

因环境不同，钢铁发生的腐蚀主要有吸氧腐蚀和析氢腐蚀两种类型。

图6

如图6所示，铁钉在试管中发生的腐蚀类型可以根据右侧U形管内左右两边的液面高低来判断。发生析氢腐蚀时，试管内产生氢气导致气压增大，U形管内红墨水液面左低右高；发生吸氧腐蚀时，试管内消耗氧气导致气压减小，U形管内红墨水液面左高右低。

上述几方面主要是通过人为造成压强差来确保后续实验的顺利进行或利用实验过程中自然形成的压强差来理解相关反应原理。但也有很多实验需要防范因气压变化对实验造成的干扰和影响。

三、防范气压变化对实验造成干扰

1.防范气压变化对准确量取气体体积的影响

气体的体积随温度和压强的变化而发生变化。一定量的气体的体积是指气体的温度、产生的压强分别与室温和大气压一致情况下的体积。

图7为量气装置之一。某化学课外活动小组利用如图7所示的装置将NO2和O2的混合气通入水中反应，并测定反应后混合气的体积。在读取量气管体积时应注意以下两点：一是冷却至室温(温度影响气体的体积)；二是上下移动量气管，使前后两次读数时均保持量气管内液面和球形容器内液面相平(当量器管内液面高于球形容器内液面时，因球形容器内气体压强高于外界大气压，所收集气体的体积偏小；当量器管内液面低于球形容器内液面时，因球形容器内气体压强低于外界大气压，所收集气体的体积偏大)。

图7

2.防止在实验过程中因气压变化而发生意外

(1)防止气压变化致使液体发生倒吸

图8

如图8，当气体被烧杯内的溶液吸收或反应后，会瞬间造成反应容器的压强低于外界大气压，空的试剂瓶就可以防止烧杯内的液体进入气体发生装置。

如图9，CO还原CuO的实验结束后是先撤去酒精灯还是先停止通CO涉及气压变化问题。如果先停止通CO，后撤去酒精灯，由于撤去酒精灯后温度降低，直玻璃管内就会产生低压，瓶内液体就会倒吸至直玻璃管内。所以应该是先撤去酒精灯，待直玻璃管冷却至室温后，再停止通入CO。

图9

图10

(2)防止气压变化导致液体不能顺利流下

如图10，当烧瓶内产生气体时，若没有胶皮管，烧瓶内的气压增大会导致漏斗内液体较难顺利流下。胶皮管的作用就是平衡压强，使漏斗内的液体顺利流下。

(3)防止气压变化导致塞子脱落

如图11，当锥形瓶内气压过大时有可能导致锥形瓶橡胶管脱落。锥形瓶内插入导管并加入一定量的水就可以防止锥形瓶内气压过大导致橡胶塞脱落。

图11

四、与气压变化有关的高考试题赏析

整理近几年高考实验试题，与压强差有关的问题设置主要是利用压强差保障后续实验顺利进行和防止压强差对实验造成干扰两类。

1.利用压强差保障后续实验顺利进行

【例1】(2018·全国卷Ⅰ·26节选)醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·2H2O]为砖红色晶体，难溶于冷水，易溶于酸，在气体分析中用作氧气吸收剂。一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂，将三价铬还原为二价铬；二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。实验装置如图所示。回答下列问题：

(3)打开K3，关闭K1和K2。c中亮蓝色溶液流入d，其原因是___________________>。

【答案】c中产生H2使压强大于大气压

【解析】二价铬与醋酸钠溶液反应的前提是c中的溶液能够进入d中与醋酸钠溶液混合。当c中的压强大于d中的压强就可以实现c中的溶液流入d中发生反应。即当打开K3，关闭K1和K2时，c中锌粒与盐酸反应产生的氢气排放不出去，产生了较大的压强，将c中生成的亮蓝色溶液压入d中。

【例2】(2017·全国卷Ⅰ·26节选)凯氏定氮法是测定蛋白质中氮含量的经典方法，其原理是用浓硫酸在催化剂存在下将样品中有机氮转化成铵盐，利用如图所示装置处理铵盐，然后通过滴定测量。

回答下列问题：

(3)清洗仪器：g中加蒸馏水；打开k1，关闭k2、k3，加热b，蒸气充满管路；停止加热，关闭k1，g中蒸馏水倒吸进入c，原因是____________________；打开k2放掉水。重复操作2～3次。

【答案】(3)c中温度下降，管路中形成负压

【解析】仪器的干净程度是后续实验顺利进行的前提。当c装置中的压强低于g装置中压强时，锥形瓶中的液体可以倒流入c中进而起到清洗仪器的作用。即由于停止加热，c、e及其所连接的管道内水蒸气冷凝为水后，使气压小于外界大气压，在大气压的作用下，锥形瓶内的蒸馏水流入c中。

2.防止压强差对后续的实验造成干扰

【例3】(2019·全国卷Ⅰ·27节选)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下(略)：

回答下列问题：

(2)铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为________(填标号)。

A

B

C

D

【答案】C

【解析】由于铁屑中含有少量硫化物，所以产生的气体为H2S。H2S气体在水中的溶解性较差，可以利用NaOH溶液来吸收H2S气体。但当吸收速率过快时，会导致整个导管内的压强降低进而发生溶液倒吸，干扰实验顺利进行。采用倒扣的漏斗进行吸收，可以避免发生倒吸。

【例4】(2016·江苏卷·21B节选)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)是常用的抗氧化剂，在空气中、受热时均易分解。实验室制备少量Na2S2O5的方法：在不断搅拌下，控制反应温度在40℃左右，向Na2CO3过饱和溶液中通入SO2，实验装置如下图所示。

(2)装置Y的作用是_________________。

【答案】(2)防止倒吸

【解析】由于SO2是大气污染物，最后盛有NaOH溶液的Z装置是用来吸收SO2气体的。SO2很容易和NaOH溶液发生反应，导致装置X中压强减小，易发生溶液的倒吸，因此装置Y的作用是防止发生倒吸。

实验探究是学生获取化学知识的重要手段，是提高学生学科核心素养的重要手段。梳理气压变化在化学实验中的应用与防范，呈现了基于原理分析的理性思考过程。从知识、原理到应用，只有教会学生怎样思考问题、分析问题，才是真正教会了学生如何学习。