科学就在身边——校园“钟乳石奇观”形成探究

◆重庆市巴川中学校 刘 松 袁由均

一、问题缘起

一天晚上查寝时，我们发现了一个有意思的现象。在男生寝室门口经常被水滴冲击的水泥台阶处出现了隆起，而且还有变大的趋势。俗话说“水滴石穿”，而这里的石头不仅没有被滴穿，反而变大了，这是为什么？

为一探究竟，第二天我们再次来到现场进行了勘察。

二、探究过程

由于调查前一天下过雨，楼上平台处仍有积水不停滴落，在水滴落的地方形成了一个凸起。用手触摸，发现凸起质地较硬，表面清晰可见很多小坑。

为了证明这并非个别现象，我们又观察了平台其他漏水处的下方，也发现了同样的 “小山”。经过现场勘察，我们确定，水滴源于自然降水，而不是空调水等其他水。各处的凸起大小不同，可能与水滴大小、滴落的时长有很大的关系。

除了在水泥地面，我们在瓷砖铺设的地面上也发现了凸起。这说明“小山”的形成与地面的材质没有多大关系，而是与滴落的水有关系。

然而，每逢下雨，学校足球场主席台后侧的雨棚水滴的下落流速和流量都非常大，为什么没有形成类似的“小山”？

对 此，我 们大胆猜测，凸起的形成与自然界中钟乳石的形成原因类似，在平台漏水处应有自上而下生长的“钟乳石”。实地观察后，结果证实果然如此。为什么会这样？

图1 雨滴冲击形成的凸起

三、现象原理

（一）水滴石穿

水从高处滴落的过程中不断加速，产生的冲击力不断磨损石头，如同用锤子不停地锤打铁板一样。这一过程只是石头的形状发生了变化，没有新的物质生成，所以是一种物理变化。

由于石头的种类不同，那些含有碳酸钙的石头（如石灰石），它们发生水滴石穿的现象还有另一种原因：空气中的二氧化碳溶于水后会生成碳酸，所以水滴实际上是具有弱酸性的碳酸溶液，当水滴落在石灰石、大理石这一类石块上时，其中的碳酸就会与石块中的主要成分（碳酸钙）发生化学反应，生成能溶于水的碳酸氢钙，使石块局部缓慢溶解并流失。

（二）钟乳石的形成

溶洞中钟乳石的一系列变化来源于其主要成分——碳酸钙的一系列变化。当碳酸钙遇到溶有二氧化碳的水时就会变成可溶性的碳酸氢钙，其化学反应式为：CaCO3+CO2+H2O==Ca（HCO3）2。溶有碳酸氢钙的水如果受热或遇到压强突然变小的情况时，水中的碳酸氢钙就会分解，重新变成碳酸钙沉积下来，并放出二氧化碳，其化学反应式 为：Ca（HCO3）2==CaCO3↓+CO2↑+H2O 。碳酸钙不断在两种反应中分解又析出，就形成了溶洞中各种各样的钟乳石。

我们发现，所有漏水处都有一个共同特征，即都存在用白灰补漏的痕迹。例如，“小山”形成最明显处的正上方（如图2），白灰的用量非常多。用白灰抹墙的主要原理是，白灰加水生成的熟石灰（氢氧化钙）与二氧化碳反应生成碳酸钙，使墙面变硬。

图2 经过白灰修补过的平台一角

具有弱酸性的雨水长时间与墙面接触，其中的碳酸就会与墙面的主要成分（碳酸钙）发生化学反应，生成能溶于水的碳酸氢钙，使含有碳酸钙的墙面局部缓慢溶解并流失。当溶有碳酸氢钙的水从平台滴落在地面上时，由于水分蒸发或压强减小以及温度的降低，二氧化碳的溶解度会减小，从而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过长年累积，渐渐形成了类似钟乳石的凸起，于是就有了我们看到的现象。

四、教学启示

好奇、追问是一种独特的品质，别人眼中的习以为常，在有的人看来可能就“暗藏玄机”。作为教师，我们要争做激发学生好奇心的那个人。我们讲授书本上的相关知识时，如果能让学生少一些机械记忆，多一些实践探究，那么学习会更有乐趣。