这两种试剂瓶为什么会破裂

党文祥

[摘   要]化学实验室中存在试剂瓶破裂的现象，是空气进入瓶内引发化学药品变质所致。通过实验和有关事实进一步验证，变质反应中固体体积增大是导致试剂瓶破裂的原因。文章从块状固体的结构特点和粉末状固体中颗粒之间的距离特点，论述块状变为粉末时体积增大的原因，指出试剂瓶破裂造成的危害，找到防止试剂瓶破裂的保护方法。

[关键词]碳化钙;氧化钙;试剂瓶;破裂;体积增大

[中图分类号]    G633.8        [文獻标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）29-0066-02

笔者所在的学校是一所农村中学，化学实验室设备简陋，仪器、药品相对较少。多年来不少存放了很久的化学药品仍然保留着，其中有些已经变质，有些试剂瓶出现了破裂现象。任何事物都具有两面性，正是这样的实验室现状，为笔者研究实验室管理提供了素材。下面，笔者就碳化钙及氧化钙试剂瓶的破裂问题进行探究。

一、碳化钙试剂瓶的破裂

在久置的化学药品中，发现几个装有碳化钙的塑料试剂瓶破裂了。试剂瓶除了碰撞等特殊原因，一般是不会破裂的。为什么具有弹性的塑料瓶会破裂呢？

1.试剂瓶破裂的可能原因

塑料试剂瓶的破裂，必然是化学药品的变质反应引起的。用碳化钙制取乙炔时，碳化钙与水反应很剧烈（① CaC2+2H2O=Ca（OH）2+C2H2）。而试剂瓶中的碳化钙在放置过程中，也会与水蒸气很缓慢地、连续地进行反应，其反应原理与反应①相同（只是水的状态不同）。水蒸气来自于空气，而空气中含有二氧化碳，当碳化钙通过反应①生成氢氧化钙后，氢氧化钙会与二氧化碳反应（② Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O）。不论是反应①还是反应②，都会有热量放出。

因此，致使碳化钙试剂瓶破裂的可能原因有：（1）生成的气体使瓶内压力增大，超出了塑料瓶的承受能力;（2）反应放出的热量使瓶内温度骤升，使塑料瓶受热变软;（3）碳化钙固体变为氢氧化钙和碳酸钙时，体积增大，超出了塑料瓶的承受能力。

在瓶内与碳化钙和氢氧化钙反应的水蒸气和二氧化碳都是从瓶外进入的。既然空气能从瓶外进入瓶内，那么，瓶内生成的气体为什么不会逸出瓶外呢？况且，将①②两式加合起来可得：CaC2+H2O+CO2=CaCO3+C2H2。可见，从瓶外进入的气体比瓶内生成的气体多。因此，试剂瓶的破裂，不是由反应生成的气体造成的。

装碳化钙的试剂瓶有内盖和外盖。内外盖的存在，使瓶颈与瓶盖之间的缝隙变得很小，空气流动并不畅通。因此，同样是生成乙炔的反应，碳化钙与水的反应很剧烈，单位时间内放出大量的热;而与进入瓶内的水蒸气的反应则很微弱、很缓慢，单位时间内放出的热量也很少，而且这些热量不会聚集于一处，而是分散于整个瓶内，再通过瓶壁和缝隙传出瓶外。这样，就不会在短时间内聚集大量的热而使温度骤升，也就不会使瓶壁变软。可见，试剂瓶的破裂也不是因为反应放出的热量造成的。

那么，试剂瓶的破裂，是因为固体体积的增大而造成的吗？

2.固体体积增大的事实

实验：取1个烧杯装入水，将1束卫生纸沿中间对折后，将对折的两部分挂在烧杯壁的两侧，使内部的一端浸入水中，然后取出放入干燥器内，盖上干燥器的盖子。这样便组成了1个润室。由于水具有表面张力，卫生纸的纤维间结合不紧密，在与水接触后，水会沿着纤维间的缝隙运动，形成毛细现象，因此整束卫生纸很快会变湿润。卫生纸上的水向空间挥发，使润室内的湿度远远大于空气中的湿度。取1块碳化钙放入小烧杯中，在烧杯中碳化钙的最高位置处的水平线上绑1根橡皮条，以作为体积变化的参考线。将烧杯放入干燥器中，大量的水蒸气与碳化钙接触并反应，在较短时间内就会看到固体状态的变化。

润室中，块状不断变为粉末，粉末不断增多。5天后，固体粉末超过了橡皮条所处的水平线。线上高度略小于线下高度。粉末所占的空间约为原块状碳化钙体积的6～8倍，即块状变为粉末时，体积增大了（如图1）。从润室中取出小烧瓶，在空气中敞口放置40天，其体积没有明显变化，说明在与二氧化碳反应生成碳酸钙的过程中，对粉末的体积影响不大。

除了上述实验，实验室还有半瓶存放了两年的碳化钙，瓶中碳化钙块状的表面已经变成了粉末，剩余的块状自然埋没于粉末中。在存放的两年中，粉末逐渐形成了向上的凸起（由于多次的摇动等原因，凸起的部分变得平缓）。因为采取了缓冲式保护[1]（用塑料膜覆盖瓶颈和瓶盖，再用线绳扎封），使进入瓶内的空气流速变小，使体积增大缓慢。这也说明碳化钙与空气中的气体反应的过程，是体积增大的过程（如图2）。

另外，从试剂瓶破裂的现状可以看出，是瓶内固体体积的增大产生的压力，使试剂瓶的形状发生了改变（如图3）。

上述事实说明，碳化钙试剂瓶的破裂，是固体体积增大所致。

3.问题分析

（1）块状碳化钙变为粉末状时体积为什么会增大？①块状固体，不论是否为晶体，微粒之间的距离小，结合作用强，每一块块状物质就是一个整体。粉末状固体是由很多小颗粒无规律地堆放而成的，每个小颗粒也是一个很小的块状整体。在颗粒与颗粒之间形状不同，任意接触且不紧密。这样，就使粉末中的小颗粒之间存在大小不同的空隙，从而使块状变为粉末（物质种类不变）时体积变大。②碳化钙固体属于六方晶系的离子晶体，离子间距离小，作用力强，结合牢固，密度大，块状体积小。当其变为氢氧化钙和碳酸钙时，不仅物质的结构和种类发生了改变，原来致密坚硬的块状也变成了疏松的粉末状，体积自然会增大。

（2）在碳化钙变化过程中，二氧化碳不能与固体碳化钙直接反应，但可以与氢氧化钙反应生成水，这些水进一步与碳化钙反应，加快了固体体积的增大，加快了试剂瓶的破裂。

4.试剂瓶破裂的危害

碳化钙试剂瓶的破裂，是在长期放置过程中不知不觉发生的。当发现时，可能已经过很长的时间，碳化钙可能已经完全变质。如此，不仅会将大量的乙炔释放于空气中，而且还会释放其中的磷化物、砷化物生成的有毒气体PH3、AsH3。因此，碳化钙试剂瓶的破裂，不仅会使药品报废，而且会严重污染环境。

二、氧化钙试剂瓶的破裂

在化学实验室中，也曾出现过氧化钙塑料试剂瓶破裂的问题。那么，氧化钙试剂瓶破裂的原因又是什么呢？

氧化钙放置时发生的反应，也主要是与水蒸气的反应：CaO+H2O=Ca（OH）2，然后是氢氧化钙与二氧化碳的反应：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，生成的水又与氧化钙反应。虽然氧化钙与水的反应是典型的放热反应，但由于此处是与水蒸气反应，而且单位时间内进入瓶内的气体的量很少，因此在单位时间内产生的热量少且分散。这些热量会通过各种形式不断地散失于空气中，不会在短时间内聚集大量的热而使塑料瓶变软破裂。也就是说，反应放出的热量不是导致试剂瓶破裂的主要原因。

由资料可知，氧化钙变为氢氧化钙时，体积增大1～2倍。煅烧良好、氧化钙含量高的生石灰熟化快，体积增大也较多。再从试剂瓶的破裂现状（如图4）可以看出，其破裂的主要原因是固体体积的膨胀。

氧化钙试剂瓶的破裂，加速了氧化钙的变质，即变为氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙等的混合物，从而使氧化钙失去原有的使用价值，只能做报废处理。

三、怎样防止试剂瓶破裂

上述试剂瓶破裂的原因，都是瓶颈内外壁与内外盖之间的接触不严密而引起的。因此，要防止试剂瓶破裂，必须从源头上阻止气体在瓶口的流动。在长期的实践中，笔者总结出了碳化钙和氧化钙的保护方法：（1）新购置的、短时间内不使用的碳化钙和氧化钙，必须进行蜡封式保护[2];（2）在某时段内使用频繁的，不便蜡封，应采取缓冲式保护;（对于易变质的绝大部分化学药品，都可以采取蜡封式和缓冲式保护）（3）装入透明的玻璃瓶中，以便及时观察瓶内药品的状态和体积变化情况，发现问题及时处理;（4）瓶内的药品不能装满，以6～7成为宜。

实验室中的任何异常现象，都可能与化学反应有关，都可能蕴藏着科学知识和科学原理，对于化学教学和实验室管理具有一定的研究价值。对此，教师应该认真及时地、积极主动地进行观察、分析和研究，从中发现奥秘，总结规律，及时运用于实验室管理中，以避免更多问题的出现。

[   参   考   文   献   ]

[1]  李旭娃.实验室化学药品的缓冲式保护[J].化学教学，2016（3）：70-73.

[2]  李旭娃.實验室中化学药品的蜡封式保护[J].化学教育，2016（13）：53-57.

（责任编辑 罗 艳）