“装置气密性检查”依据的原理主要是密闭容器中气体的温度、压强和体积三者的关系.实际上,这部分知识在初中物理中介绍并不多,而化学教师又以为学生已在物理中学会,常常没有深入给学生释疑和总结.因此,相当一部分初三学生对“装置气密性检查”似懂非懂,在中考中经常失分.基于此,从归纳原理出发,结合中考典题进行了归类解析,希望能帮助初三学生深入理解原理,同时提高迁移应用能力.
一定量气体在密闭容器中,当温度等条件不变时,若体积变小,则压强变大,反之,则压强变小;当体积等条件不变时,若温度升高,则压强变大,反之,则压强变小.据此原理,对尚未封闭的气体发生装置,可以借助水或其他必要的措施,让气体发生装置形成封闭体系,然后通过改变温度或体积,使装置内的压强发生变化,与大气压强形成一定的压强差,并由此产生一些可视的现象,供判断装置气密性是否良好.
即:封闭气体发生装置→改变装置内气体的温度或体积→装置内外产生压强差→实验现象(气体或液体通常由压强大的一端流向压强低的一端)→得出结论(气密性好或差)
在上述几个环节中,“装置气密性检查”[1]的试题一般考查如何改变装置内气体的温度或体积(即检验装置气密性的具体操作方法)、产生什么现象可判断装置气密性良好或由产生的现象推测装置气密性是否良好等三方面的问题.下面就依据改变装置内压强的两种不同因素进行分类,并用中考典题给予例析.
一、通过改变容器内气体的温度检查装置的气密性
例1 (2015年北京,有改动)利用表1中的图1装置进行实验(装置中K1、K2、K3在实验前均已关闭).
表1
(1)检查装置气密性:保持K1关闭,打开K2、K3,向B中加水至液面浸没下端导管口,用手捂住A瓶外壁,说明装置左侧(A装置)气密性良好的现象是___;用同样原理可以检查装置另一侧的气密性.
(2)实验1中,气体收集完毕后,在不拆卸装置的情况下,使A中未反应的稀硫酸大部分转移到B中的操作是___.
解析:(1)K1关闭,K2打开,B中下端导管口被水浸没, A瓶就形成封闭体系.用手捂住A瓶外壁,A瓶中的气压由于体温的加热而增大(大于大气压强),B瓶中气压仍为大气压强(因为K3打开),此时A中的气压就比B大,若A装置气密性好,则A中的气体只能通过导管流入B中(由压强大的一端流向压强低的一端),从而看到B装置左侧导管口有气泡冒出.(2)气体收集完毕后,打开K2、K3,关闭K1,生成的气体无法从K1上方导管口排出,A中的气压就会逐渐增大而大于大气压强, B中气压则保持为大气压强(因K3打开着),此时A中的液体就会沿着A、B间连接的导管从A瓶流入B瓶.
答案:(1)B装置左侧导管口有气泡冒出 (2)打开K2、K3,关闭K1 A瓶流入B瓶
例2 (2009年德州,有改动)(1)略
图2
(2)甲同学要用如图2所示的装置制取气体,他用如下方法检验该装置的气密性:打开图2装置中的活塞,发现分液漏斗中的水没有流下,于是得出“气密性好”的结论.你认为甲同学的检验方法是否可行?(填“是”或“否”). 乙同学则设计另一种检验该装置气密性的方法,请你帮助完成:关闭活塞,在集气瓶中加水浸没导管末端,,若集气瓶中导管水柱上升一段时间不下降,则气密性好.
解析:(2)由于甲同学没有把气体发生装置封闭,所以锥形瓶中的压强保持为大气压强.此时打开分液漏斗的活塞,但塞子没有打开,若分液漏斗中的水流下,则漏斗中水面上那部分气体的体积就会增大,导致水面上部的气压变小,漏斗中水面上部的气压就小于锥形瓶中的大气压强,水就无法再流入锥形瓶中.因此水没有流下的原因是分液漏斗的塞子没有打开,与气密性无关.乙同学关闭活塞,并在集气瓶中加水浸没导管末端,完成了对气体发生装置的封闭,此时若观察到集气瓶中导管水柱上升一段时间不下降,显然是锥形瓶中的气压下降而小于集气瓶中的大气压强所致,而要使锥形瓶中的气压下降,可以用冰毛巾捂住锥形瓶一会儿,让其降温.
答案:(2)否.用冰毛巾捂住锥形瓶一会儿
二、通过改变容器内气体的体积检查装置的气密性
图3
例3 (2016年南京,有改动)检验如图3所示装置的气密性:当缓慢推动注射器活塞时,如果装置气密性良好,则能观察到( )
(A)瓶中液面明显上升
(B)长颈漏斗内液面上升
(C)瓶内气体分子间的间隔变大
(D)长颈漏斗下端管口产生气泡
解析:如图3的气体发生装置已封闭,当缓慢推动活塞时,如果装置气密性良好,则装置内气体的压强由于体积变小而增大,此时瓶内气压大于大气压强,瓶内的液体就会通过长颈漏斗下端管口沿颈部流入长颈漏斗内,长颈漏斗内液面自然就会上升;若把活塞缓慢往外拉,则装置内气体的压强由于体积变大而下降,此时瓶内气压小于大气压强,空气就会沿长颈漏斗,从其下端管口进入瓶内,在长颈漏斗下端管口就会产生气泡.
答案:(B)
例4 (2016年北京,有改动)利用表2中的图4装置进行如下实验(白磷的着火点为40℃).
表2
(1)连接仪器后,关闭K,加水至长颈漏斗内液面高于瓶中液面.一段时间后,若观察到___,说明装置的气密性好.
(2)实验1的步骤Ⅲ中,关闭K后的现象是___.
解析:(1)关闭K,加水至长颈漏斗下端管口位于液面下,且长颈漏斗内液面与瓶中液面一样高时,瓶中的气体被封闭,瓶内气压等于大气压强.若继续往长颈漏斗加入一定量的水,漏斗内液面瞬时高于瓶中液面,在大气压强和液体压强的共同作用下,其中的一部分水会流入瓶内而使瓶内气体体积变小,压强变大(大于大气压强),直至瓶内的气压等于大气压强与漏斗液面高于瓶内液面造成的液体压强之和时.此时,若装置气密性好,气体不外泄,瓶内气压就不变,漏斗内的水也就不会再流入瓶内而维持液面不下降;但装置气密性若不好,瓶内气压就会因为气体的外泄而下降,气压的下降又会导致漏斗内的水再流一部分到瓶内而造成液面不断变化.⑵步骤Ⅲ中,关闭K后,生成的气体无法排出,瓶中的气压就会增大(大于大气压强),液体就会从瓶内流入长颈漏斗中,导致瓶内液面逐渐下降(长颈漏斗中的液面逐渐上升),当下降到锌粒脱离稀硫酸时,反应就停止.
答案:(1)液面高度保持不变;(2)瓶中液面与长颈漏斗中的液面一降一升,当瓶中液面下降到锌粒和稀硫酸脱离时,反应就停止.
图5
例5 (2015年安徽,有改动)为探究相同浓度的氯化铁溶液和硫酸铜溶液对过氧化氢分解的催化效果,某同学设计了如图5所示的装置进行如下实验:
(1)、(2)略
(3)如图5所示,实验前检查该装置气密性的方法是____.要定量比较两者的催化效果,可测量生成等体积气体所需的____.
解析:(3)如图5所示的气体发生装置已封闭,此时装置内气体压强等于大气压强.将注射器活塞向外拉,如果装置气密性良好,装置外的空气就无法进入装置内,此时装置内气体压强就会因体积增大而下降(小于大气压强),松开手后,大气压强就会推动活塞往回移动,直至装置内的压强又等于大气压强,即活塞原来的位置.当然,也可将分液漏斗加满水,再放入大量的水进入锥形瓶里,此时若装置气密性良好,装置内气体就不会外泄,里面的压强就会因体积减小而增大(大于大气压强),从而推动注射器活塞往外移动.
答案:(3)将注射器活塞向外拉,再松开手,活塞又回到原来的位置,则装置气密性良好.(或者将分液漏斗加满水后,放入大量的水进入锥形瓶里,若注射器活塞向外移动,则装置气密性良好.) 时间.
例6 (2016年福州)某固体粉末可能由镁、氧化镁、氢氧化镁中的一种或几种组成.为探究该固体粉末的成分,某同学设计如图6所示的装置(固定装置省略).
【实验过程】
步骤Ⅰ、步骤Ⅱ、步骤Ⅲ:略
【回答问题】(1)该套装置气密性的检验方法是___.
(2)、(3)、(4)略.
解析:(1)图6装置中,量气管与水准管的液面相平,则Y形管内被封闭的气体压强等于外界的大气压强.此时把水准管下移一段距离,若装置气密性良好,Y形管内气体的量就不会发生变化,其压强(等于大气压强)与量气管内液面高于水准管内液面造成的液体压强之和,就大于水准管上的大气压强,量气管内的水就会流一部分到水准管中.随着量水管中的液面逐渐下降(水准管的液面相对水准管的管壁会上升[2]),Y形管内气体的体积逐渐增大,压强就逐渐变小(变为小于大气压强),而水准管上的大气压强是不变的,所以当下降到Y形管内的气体压强与量气管内液面高于水准管内液面造成的液体压强之和,等于水准管上的大气压强时,量气管内的水就不再流入水准管中,液面就静止.当然,若装置气密性良不好,则Y形管内气体的量会不断变化,气体的压强也会随之不断改变,液面差就不可能稳定.所以,下移水准管一段距离,让水准管与量气管的水形成一定的液面差,若观察到液面差在一段时间内没有变化,则表明装置气密性好;反之,则表明装置气密性不好.
答案:(1)下移水准管一段距离,让水准管与量气管的水形成一定的液面差,若观察到液面差在一段时间内没有变化,则表明装置气密性好;反之,则表明装置气密性不好.
例7 (2008年南京有改动)某同学对金属活动性顺序等知识进行了研究.
(1)、(2)、(3)略
(4)查阅资料:铜在金属活动性顺序表中位于氢后面,在常温下不能与稀盐酸、稀硫酸反应,但却可以在常温与稀硝酸发生如下反应:
3Cu+8HNO3(稀)==3Cu(NO3)2+2NO↑⏐+4H2O
生成的一氧化氮是无色、难溶于水的气体,在常温下与空气中的氧气迅速化合生成红棕色的二氧化氮,二氧化氮是一种有刺激性气味、有毒的气体.
用如图7所示实验装置进行实验,可以证明铜与稀硝酸反应生成的气体是一氧化氮.
图7
①检查装置的气密性:关闭弹簧夹,将干燥管放入带有水的烧杯中,若观察到___,则表明该装置的气密性良好.
②按图7所示进行实验:打开弹簧夹,用注射器慢慢抽取干燥管内的气体,稀硝酸沿着干燥管慢慢上升,直到___;停止抽拉注射器,关闭弹簧夹,观察干燥管内的现象___.
反应停止后,打开弹簧夹,用注射器抽取干燥管内的气体(事先已将注射器内原有的气体推出),关闭弹簧夹后取下注射器,并抽取一定量的空气,观察到气体变为红棕色.
解析:(4)①干燥管未放入稀硝酸前,里面空气的压强就是大气压强.放入稀硝酸后,干燥管被封闭,烧杯中的液面同时上升且高于干燥管内的液面,在大气压强和液体压强的共同作用下,烧杯内的一部分液体会流入干燥管内而使管内气体体积变小,压强变大(大于大气压强),直至大气压强与烧杯液面高于干燥管液面造成的液体压强之和等于干燥管内的气压时.此时,若装置气密性好,气体不外泄,管内气压就不会变化,烧杯内的液体也就不会再流入管内,可以看到烧杯液面仍高于干燥管液面,且干燥管内的液面在一段时间内保持不变.
②打开弹簧夹,用注射器慢慢抽取干燥管内的气体,干燥管内的气体压强就会逐渐变小(小于装置外的压强),烧杯中的稀硝酸就会在外部压强的作用下逐渐流入干燥管,去填补被抽出的气体,当干燥管内的气体抽完,稀硝酸就充满干燥管;停止抽气后,关闭弹簧夹,生成的气体就无法排出,干燥管内的气体压强会逐渐增大(大于装置外的压强),里面的液体就会被往外推到烧杯中,所以就可以观察到干燥管内液面下降,同时还看到铜片逐渐被稀硝酸溶解,并且由于生成气体而可以看到铜片表面有气泡产生,溶液由于生成硝酸铜而由无色变蓝色.
答案:烧杯液面仍高于干燥管液面,且干燥管内的液面在一段时间内保持不变. 稀硝酸充满干燥管,铜片逐渐被稀硝酸溶解,铜片表面有气泡产生,无色变蓝色
