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介绍

你知道面粉会爆炸吗?幸运的是,这不会发生在你的厨房柜台上,但如果条件满足,则确实会爆炸。面粉粉质很细的话,易使爆炸发生。事实上,任何固体易燃材料分散在空气中,形成尘埃团就会爆炸,如果它接触到火焰(这就是在有大量的粮食粉尘的地方必须非常谨慎的一个原因,如在存储设施)。那是为什么?它与固体材料的粒径有关,它决定了化学反应发生的速度。在这个实验中,你可以为自己尝试一下——避开爆炸,相反,创造一杯大的发泡性饮料(如香槟酒)!

第 1 段(可获 2 积分)

背景

一些化学反应发生得很快(像醋和小苏打的反应),而另一些则需要很长的时间(如在金属上锈的形成)。在化学反应中,包括固体作为反应物之一,实际上可以通过改变固体与液体或气体接触的大小来改变反应速率。反应是如何发生的?对于发生化学反应,反应物的分子或原子需要相互碰撞。这只能发生在固体表面,因为当所有的分子被困在固体的内部时,不能发生反应,直到他们与其他反应物的分子接触。然而,如果你采取相同的材料,并打破成更小的碎片,有更多的表面积暴露,则可以与其他成分进行反应——使化学反应发生得更迅速。

第 2 段(可获 2 积分)

以易燃材料(如面粉)为例:如果你加热一块面粉,它根本不会燃烧,或将开始在一个可以掌控的方式下慢慢燃烧,因为只有有限的接触面积可与空气中的氧反应。然而,相同的易燃材料分散到空气中,细粉末有更大的表面积暴露在空气中,如果点燃会快速爆炸。增加反应物的表面积不仅增加了可用的材料数量,也会增加反应的速率。在这个实验中,你将通过测量一种化学反应的速率表现出这种效果:碳酸氢钠在水中与泡腾片制酸剂的溶解反应。

第 3 段(可获 2 积分)

实验材料

  • 泡腾抗酸药片(至少四个)
  • 勺子
  • 四个干净的12盎司(或更大)的酒杯
  • 量杯
  • 茶匙
  • 自来水
  • 秒表

预备环节

  • 从包装中拿出四片抗酸药片。小心不要把它们打碎,因为药片是非常脆弱的。
  • 现在把一个完整的抗酸药片放到一边。
  • 拿出第二个药片,把它破成两半,把两半放在一边。
  • 拿出第三片,并将其均匀地分为四分之三。首先,把它分成两半,然后再把两半再分成两半。把所有四块放在一边。
  • 第四片,把它变成粉末。要做到这一点,即把药片放在一个干净的,折叠的纸上。将折叠好的纸放在固体表面上,用勺子小心地把药片粉碎成粉末状。将粉末放在纸中并放在一旁。
  • 使用一个量杯,向这四个杯子里依次加入约250毫升(约八盎司)的自来水。水的温度应该是一样的。
第 4 段(可获 2 积分)

实验过程

  • 拿出其中一杯自来水和一整个抗酸药片,在你面前把它们放好。
  • 拿起整个药片,将其放在水面的位置上不动。
  • 准备你的秒表。
  • 把整个药片放入水中,同时开始计时。一旦药片和水开始接触,会发生什么?你能看到一个化学反应发生吗?
  • 用茶匙轻轻搅拌水。仔细观察在水里的药片。你注意到药片发生了什么吗?你认为发生了什么反应?
  • 一旦所有的药片内固体成分溶解在水里,化学反应完成,停止计时,并在一张纸上写下反应时间。这个反应需要多长时间?你认为这种反应是快还是慢?
第 5 段(可获 2 积分)
  • 准备一个新的玻璃杯,这次拿出你破了一半的抗酸药片。
  • 取下两片药片,把它们放在水面上。一旦你把这两枚1/2大小的药片放进水里,和直接放入一片整个药片相比,你认为会发生什么变化?
  • 重新设置你的计时表,准备好。
  • 将两枚药片放入水中,再次启动计时器。和直接放入一片整个药片相比,你看到水里发生了同样的反应吗?
  • 再次,轻轻搅动水,观察两枚药片在水中的溶解反应。你看到更多或更少的气泡形成吗?和直接放入一片整个药片相比,你认为这种反应会完成的更快还是更慢?
  • 一旦药片的所有固体成分完全消失,气泡停止形成,停止计时和记录的反应时间。与放入整个药片相比,反应时间有变化吗?这种反应是快还是慢?为什么你认为是这样的情况?
第 6 段(可获 2 积分)
  • 用剩下的两个玻璃杯,将你碎成的四片抗酸药片重复添加,还有你粉碎成粉末的那份同上。你观察到水里发生的化学反应的变化了吗?与其他药片相比,这些药片是如何快速或缓慢的溶解?你注意到反应时间和药片的大小之间有什么关系吗?
  • 此外:你能想到其他的化学反应可以用来测试反应物的表面积如何影响与水的反应速率吗?想想你的厨房里各种尺寸和形状的成分物品,如糖晶体,立方体或粉末。用这些物质实验也会观察到同样的效果吗?
  • 此外: 还有什么其他因素可以改变一个化学反应的速率?重复这个实验,但只限于使用整个抗酸药片,这一次你改变不同的溶解药片的水的温度。你认为温度会如何影响反应速率?抗酸药片在热水中溶解的速度会更快或更慢吗?
第 7 段(可获 2 积分)

观测结果

你发现药片粉末的溶解速度比整个药片要快得多吗?你可能发现一旦你把抗酸药片放入水里,所有的试验都会有剧烈冒泡现象。抗酸药片是由阿司匹林、柠檬酸、碳酸氢钠制成。当碳酸氢钠在水中溶解时,它与柠檬酸中的氢离子发生反应,形成二氧化碳。由于二氧化碳是一种气体,它形成的水内的气泡溢出,所以你可以看到在表面上产生的泡沫。

你放进水里的药片越小,反应的嘶嘶冒泡就越明显。在同一时间,你可能注意到,整个药片溶解花费的时间最长,而药片粉末溶解得真的很快。这是因为较小的药片,药片可以与水反应的比表面积更大,从而导致更快地溶解抗酸药片,就像你所看到的。

清理

将溶解抗酸药片的水倒入水槽。

第 8 段(可获 2 积分)

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