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高中课外实验
示温溶液
【原理】
(1)二氯化钻所含的结晶水受温度和湿度的影响较大,存在如下平衡:
CoCl2•殂£(红色)
从上述平衡看出,温度越低,蓝色的无水二氯化钻越容易跟水结合而生成红色的六水二氯化钻。在高温、干燥条件下,红色的六水二氯化钻容易变成蓝色的二氯化钻。
(2)铬离子能跟不同数量的水分子形成不同程度的水合异构体。例如,温度较高时形成绿色的五水合铬离子,温度较低时变成蓝紫色的六水合铬离子。
(3)蓝色硫酸铜溶液会跟无色溴离子作用,生成绿色的四溴合铜离子。当温度升高时,该溶液中四溴合铜离子的浓度增大,所以溶液呈绿色。四溴合铜离子在低温下浓度极小,溶液呈硫酸铜的蓝色。
CuSO4(蓝色)+4KBr^^K2[]〔绿色)+K2SO4
【操作】
(1)取一粒二氯化钻晶体,放在一支洁净的试管里,逐滴加入95%的酒精使它溶解。这时得到的溶液呈蓝紫色。在溶液里逐滴滴加清水,每滴一滴就振荡均匀,直到溶液刚呈粉红色为止。慢慢加热这试管,不久溶液转为紫色,继续升温,溶液慢慢由紫色变蓝色,即温度越高,溶液颜色越接近蓝色。把溶液冷却到室温,溶液颜色又慢慢恢复到粉红色。
(2)在一只小锥形瓶中加入50mL稀硝酸,再加入4g三氧化二铬,得到蓝紫色的浓度约10%的硝酸铬溶液。给这溶液加热变成绿色,冷却后又变成蓝紫色。这个实验的颜色变化能反复进行。
(3)取一只小烧杯,(约5gKBr加5mL热水),混合均匀后得到蓝绿色溶液。把这溶液等量分装在三支小试管中。把第一支试管放在酒精灯灯焰上加热到接近沸点,第二支试管放在冰水中,第三支试管作为对照。这时加热的溶液呈绿色,浸在冰水里的溶液呈蓝色,处于室温下的试管仍呈蓝绿色。
碘时钟
【原理】在酸性溶液中,碘酸钾和亚硫酸钠会发生如下一些反应
COI0;+3HS0?=I_+(慢〕
(2)10^+5I-+6H*=31.+汨C'li)
(3)+HSO5+H2O=2I_+3H4-(快)
反应式(2)产生的单质碘,在反应式(3)中被亚硫酸氢根消耗,所以当溶液中有淀粉时不会显蓝色。当溶液中亚硫酸氢根离子消耗完以后,反应式(3)不再继续,于是单质碘的浓度突然增大,使淀粉溶液变蓝色。如果亚硫酸钠溶液的浓度大于碘酸钾溶液浓度的3倍,由于碘酸根离子在亚硫酸根离子消耗完以前已消耗殆尽,就不再出现蓝色。
【准备】分别配制下面三种溶液。
溶液A:,再稀释到500mL。
3
溶液B:,稀释到500mL。
溶液C:取5g可溶性淀粉,放在小烧杯中,加入25mL冷水,搅拌成悬浊液。另取200mL水加热至沸,趁沸腾时倒入淀粉悬浊液并迅速搅拌,使淀粉糊化、溶解。,最后也稀释到500mL。
【操作】
浓度对反应速率的影响
取两只大烧杯,配制混合液D和E。
溶液D:200mL水+50mLA液+50mLC液
溶液E:225mL水+25mLA液+50mLC液
在盛放D液和E液的两只烧杯里同时加入50mLB液。室温下D液约10秒钟左右由无色突然变成深蓝色,E液约在20秒后突然变成深蓝色。
温度对反应速度的影响准备三份E液(各30OmL,配法同上),加入三只大烧杯里。把一份放在石棉网上加热到50°C左右,一份维持在室温,另一份浸在冰水里冷却到近冰点。用三支量筒分别量取50mLB液,同时把三份B液分别加入上述不同温度的三份E液中。接近50C的溶液先呈现蓝色,处于近0C的溶液最后变色。
【说明】
在操作(1)中如保持温度不变,变色所需时间可由改变溶液A的量来作调节。每当碘酸钾在反应混合物中的浓度加倍时,变色的时间约减半。
在操作(2)中,E液和B液混合后的温度不宜超过50C,否则会出现蓝色到橙色的变化。
喷雾显色
【原理】
酚酞和百里酚酞试液都是酸碱指示剂,在酸性和中性溶液中都呈无色。酚酞遇碱会变红色,〜10。百里酚酞遇碱则变蓝色,〜。
硫氰化钾跟铁离子反应,会生成配离子[Fe(SCN)n]3-n,它呈血红色。亚铁氰化钾跟铁离子反应生成六氰合铁(II)酸铁Fe4[Fe(CN)6]3。沉淀,该物质呈深蓝色(人们叫它普鲁士蓝)。上述两个反应常用来检验铁离子。
【操作】
取一张有吸水性的白纸,用毛笔蘸取1%的酚酞试液,在纸上画几朵花,再用另一支毛笔蘸取1%的百里酚酞试液,在纸上画一些枝叶,晾干或晒干后,白纸上几乎看不出有痕迹。表演时先展示一下白纸,然后取装有5%的氢氧化钠溶液的喷雾器,对准画过图案的地方喷洒,瞬间,在白纸上出现红花蓝叶的画。
取一张有吸水性的白纸,用毛笔蘸取5〜10%的硫氰化钾(KSCN)溶液,画上几朵花,再用另一支毛笔蘸取5〜10%的亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)』)溶液在纸上画些枝叶,晾干或晒干后,白纸上也看不出痕迹。表演时取装有5〜10%的氯化铁溶液喷雾器,对准用试剂画过的白纸喷洒,瞬间,白纸上出现红花和深蓝枝叶。
【说明】
氯化铁还能跟不少物质起反应而显色。例如,分别用毛笔蘸取5%鞣酸溶液、10%氢氧化钠溶液、5%醋酸钠溶液、2%苯酚溶液等,在白纸上作画,晾干后喷上氯化铁溶液,能分别显出黑色、红褐色、褐色、紫色等。黑色产物是鞣酸铁、红褐色产物是氢氧化铁、褐色产物是醋酸铁、紫色产物是一种配离子
3
{[Fe(C6H5O)』3-}。这些显色反应是化学实验中检验这类物质常用的方法。
两种溶液相遇会产生有色沉淀或者发生明显颜色变化的反应。只要不造成环境污染、不危害健康,都可以设计成喷雾显色实验。
冷胀热缩的橡皮筋
【原理】橡胶是一种高分子化合物,由大量异戊烯单元形成的链状大分子组成。当橡胶被拉长时,杂乱而纠缠在一起的链趋于平行,即排列得比较有秩序。它在收缩时,排列的混乱程度增大。自然界的物质能自发地朝混乱度大的方向进行,并吸收能量。对橡皮筋加热,反而会使它缩短。
【准备】取4〜5根橡皮筋,以双股圈结成一根橡皮筋绳,绳的一端挂在高处的挂钩上,下端用铁丝钩子吊一些重物,使橡皮筋绳拉长到原来长度的三四倍。另准备一个家用热电吹风。
【操作】在上述橡皮筋绳的下端处放一个物件,作为高度的参照物,或在墙上贴一张标签作为参照。打开电吹风,把热风上上下下吹在橡皮筋绳上,逐渐加热。片刻后橡皮筋绳不因受热而增长,反而缩短,绳下端挂的重物被提上去,现象十分明显。停止加热,橡皮筋绳在重物作用下又慢慢伸长,直到复原。
自制彩色镜子
【原理】平面镜是由化学镀银的方法,在平板玻璃表面沉积一层银膜而制成的。它的化学原理是银离子在有机物的还原性基团作用下以金属银结晶析出。
RCHO十2趣20H十2地|十十3NH3
为了获得细致光亮的银膜,必须控制好银的析出和沉积速度。
普通镜子的镜面呈银白色。制作镜子时,在镜面上析出少量银(呈半透明状),然后在银膜上复涂一层彩色涂料,就得到彩色镜子。选用透明的有色平面玻璃进行通常的银镜反应,能得到另一种彩色镜子。
【准备】
银氨溶液的配制在5%硝酸银溶液中逐滴加入浓氨水,直到产生的沉淀消失为止。再滴加10%的氢氧化钠溶液(每毫升硝酸银加一滴氢氧化钠溶液),再逐滴加入浓氨水,到沉淀再次消失为止。再用硝酸银溶液回滴到溶液略显浑浊为止。最后加入2倍体积的蒸馏水稀释。如改用桃胶的稀溶液稀释,做成的彩色镜质量更好。
彩色透明聚氨酯的配制取二甲苯和环己酮以1:4体积比混合作为溶剂。称取溶剂质量1/20的透明颜料加入溶剂中,不断搅拌,直到完全溶解为止。把制得的透明颜料液慢慢加入到聚氨酯(商品名:清水685,是一种清漆)中,边加边搅拌,一直加到色度符合要求为止。
【操作】
方法一:可以用市场上买的蓝色或茶色、红色的玻璃片加工成彩色镜子。
用软棉布蘸取洗洁精反复擦洗玻璃板,再用水冲洗干净。用软棉布或干净的黑板擦蘸取一些铁红粉(氧化铁粉末)在玻璃板上反复擦洗,完全除去表面的污垢和油腻,最后用水反复冲洗,直到没有红色的铁红粉残存,玻面上水膜均匀,不挂水珠。
用氯化亚锡稀溶液冲洗2〜3次,使玻璃板要镀银的地方都浸润到,使它的表面敏化。然后用蒸馏水淋洗2〜3次,除去氯离子。把清洗好的平板玻璃放在桌面或其他支架上,使玻璃保持水平,吸掉挂在边缘上的水滴,但不能再触及洗干净的平面。
5
把银氨溶液和4%的酒石酸钠钾以1:1的体积比混合,立即小心倾倒在玻璃上(没有酒石酸钠钾,)。混合液的量可以根据制镜面积计算,一般每平方分米需要混合液约30mL。混合液要布满玻璃表面并积存到一定厚度。
静置约10分钟(时间跟室温有关,室温越高,时间越短)后,倾去玻璃上残留的试液,再用小流量的水仔细冲洗附有银粒的表面。然后按操作(3)的方法,重复操作1〜2次。
拿起玻璃片,朝有光线的地方看,如果玻璃板已不呈透明状即可。
用小流量的水小心淋去玻璃表面的残余液。再使镜面干燥(一定要完全干燥),最后用软毛笔蘸取二甲苯稀释的聚氨酯胶液小心涂在银面上,待它干燥后,还可以镀一层红丹漆,作为银镜的保护层。
方法二:用普通无色玻璃制作彩色镜子
(1)〜(4)的操作与上述方法一相同。
拿起玻璃朝有光线的地方看,如果银面涂得均匀、完整,并且使玻璃呈半透明状即可再用上述方法小心清洗、干燥。
用软毛笔把前面配好的彩色透明聚氨酯均匀涂在银面上,干燥后即成。
【说明】
决定制镜质量的因素除混合液的配比外,最重要的是玻璃的清洗,只要玻璃平整洁净,就一定能制成光亮、均一的银镜。
洗干净的玻璃表面不能用手指去碰,手指接触过的地方不易涂上银面。
玻璃放置要保持水平,这样可以保证镀银液分布均匀。
如果室温过低(冬天),可用电吹风微微加热。
(5)在涂聚氨酯或有色透明聚氨酯前,银面一定要干燥,否则银面易脱落。
银氨溶液不能久存,以防转变成雷酸银(AgONC)或叠氮化银(AgN3)引起爆炸。反应后的混合溶液要及时处理,不能存放。
银氨溶液和酒石酸钠钾溶液混合后,银即开始析出,所以操作时应计算混合液的用量,用多少就配制多少,以免造成浪费。
自制化学暖袋
【原理】铁粉在水存在下能跟空气里的氧气反应,放出热量。
4Fe+2H2O+3O2=2Fe2O3・H2O+Q
【准备】取一只约80x120mm的自封式塑料袋,另用无纺布缝制一只略大于上塑料袋的布袋。
【操作】
用大头针在自封式塑料袋上扎几十个针眼(袋的两层同时扎穿)。
称取15g小颗粒状活性炭、40g还原铁粉、5g细木屑,都放在一只烧杯中,再加入15mL15%的食盐水,用玻棒搅拌均匀。
把烧杯里的混合物全部加入扎过孔的塑料袋内,封上袋口。把这塑料袋放入自制的布袋中,扎住袋口。
反复搓擦这袋5〜8分钟,能感觉布袋的温度明显上升。
【说明】
(1)在塑料袋上扎针眼,为了能使空气进入袋内,维持氧化发热反应。搓动袋子是促使空气流动,使氧气跟铁粉较好地接触。
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(2)搓擦5〜8分钟后,暖袋温度可达60〜70°C。以后间断地搓动布袋,使暖袋保持该温度达1〜3小时(发热的速度和保持发热的时间跟铁粉的纯度、粒度及其他试剂的配比有关)。
(3)最好选用总铁量在98%以上的多孔质还原铁粉。
还可以预先将铁粉作如下处理:称取50g铁粉放在蒸发皿中,加热到铁粉微热,再加入3mL3%的醋酸,搅拌几分钟后铁粉呈现灰黑色,这时停止加热,让它冷却。冷却后的产物立即装入瓶内封存。使用时将这产物加入自封塑料袋内,再装入12g活性炭和5g蛭石,搓揉袋内物料,几分钟后袋内温度明显上升。该暖袋能持续20小时以上,平均发热温度是50〜60Co本配方会产生醋酸亚铁,醋酸亚铁易被空气中的氧气氧化,同时放出大量的热量。
自制“羊皮纸”
【原理】纤维素能溶于浓硫酸,并发生水解反应。利用以上特点,把纯纤维素滤纸浸入硫酸中,使滤纸表面发生部分溶解和水解,并生成一薄层粘稠物。这时停止反应,用大量清水洗涤,使粘稠层均匀地附在滤纸的表面,使滤纸的孔隙变小。用这种方法处理后的滤纸可以做有关半透膜的实验。由于滤纸表面部分的纤维素,在溶于酸时已改变原有的疏松结构,所以用清水洗涤后它的牢固度明显增强,据测试它的耐拉力可达原滤纸的28倍。又因为纸色洁白,人们叫它“羊皮纸”
【准备】
将两份体积的浓硫酸慢慢加入一体积水中,搅拌均匀后冷却到室温。这时得到硫酸的浓度为75%左右,冬天配的浓度要大一些,夏季配的浓度要小一些。
取一只水槽,加入约1/2容积的水,再加入少量氨水。
【操作】
取一张滤纸,放入上述配制成75%的硫酸中,用玻璃棒使它全部浸没在酸液中,浸泡约60〜90秒(跟温度有关,温度高,时间短一些)
用玻棒取出变软的滤纸,在清水中漂洗一下,再浸入稀氨水中柔洗片刻,使滤纸上的酸全部中和。这时滤纸已变得比较坚固,取出后放在干净的玻璃板上让它自然晾干。
如果不晾干,也能用于有关半透膜的实验,实验效果跟羊皮纸的制作过程(温度、硫酸浓度、浸泡时间等)有很大关系。
【说明】
用于浸滤纸的硫酸一定要冷却到室温,否则滤纸会全部溶解掉,甚至发生炭化。
浸泡时间受诸多因素影响,往往要通过实践摸索才可得到一个最佳值。
滤纸只能一张一张地浸泡,千万不能重叠浸泡和在浸泡时折叠。
废电池的利用干电池里有铜片、炭棒、锌片、二氧化锰、氯化锌、氯化铵、炭黑、石墨等单质和化合物。通过溶解、洗涤、过滤、蒸发、灼烧等操作,能得到这些物质。
【操作】
(1)取锌用剪刀取出废电池的外皮,洗净后剪碎晾干,即得锌的碎片,可用于制氢气。如果想得到锌粒,把碎片放在铁坩埚中加强热使它熔化(),熔化时会有少量氧化锌白雾生成。熔化后除去浮渣,倒出熔融液,让它冷却。按上法再熔化一次,把熔融液倒在铁板上,在它凝固时把锌割碎,就得到锌粒。(2)取铜片取下废电池上的铜帽捶扁,先用煮沸的稀硫酸洗涤,再用清水漂洗干净、晾干,就得到紫红色的铜片。
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取炭棒从废电池中取出炭棒,洗净即可。它可用作电解器中的电极和燃料电池的电极等。
取二氧化锰取出干电池中的黑色糊状物,放在烧杯里,加热水搅拌,洗涤2〜3次,除去其中氯化铵和氯化锌等可溶物。取出黑色沉淀物,放在石棉网上,先用小火烘干,然后渐渐加大火焰,对烘干的黑色粉末强热灼烧(温度由低到高慢慢加热),使黑粉中的炭黑和石墨不断被氧化(灼烧温度不能过高,时间不宜过长,因为超过530°C会有部分二氧化锰被分解:)。当粉末中不再产生气体时,停止加热,略冷却,加入1药匙高锰酸钾,充分研细混匀,再次加热灼烧。这时会产生一些火星,说明有一部分炭跟高锰酸钾反应。见没有火星后再次冷却,这时少量残留炭已基本被除尽。用自制的二氧化锰作氯酸钾或双氧水制氧气的催化剂,效果不错。
取氯化铵洗涤干电池中黑色糊状物时,其中不溶于水的物质主要是二氧化锰(含少量炭黑)。氯化铵溶于洗液中,把洗液抽滤一次即得澄清的滤液,经加热、蒸发、浓缩、结晶,即得到氯化铵晶体(其中含有少量的氯化锌)。如果要得到较纯的氯化铵,可以作重结晶处理。
用硝土制取硝酸钾【原理】硝酸钾俗称火硝或土硝。它是黑火药的重要原料和复合化肥。制取硝酸钾可以用硝土和草木灰作原料。土壤里的有机物腐败后,经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用,生成硝酸。硝酸根跟土壤里的钾、钠、镁等离子结合,形成硝酸盐。硝土中的硝酸盐就是这样来的。硝土一般存在于厕所、猪、牛栏屋,庭院的老墙脚,崖边,岩洞以及不易被雨水冲洗的地面。硝土潮湿,不易晒干,经太阳曝晒后略变紫红色。好的硝土放在灼红的木炭上会爆出火花。从硝土中提取硝酸钾,主要原理是利用草木灰中的钾离子取代硝土中的钠离子,从而生成硝酸钾。另外,草木灰里的碳酸根离子和硫酸根离子跟硝土里的钙、镁离子结合,生成难溶性的盐而沉淀,从而去掉钙、镁等杂质。主要反应式是
Ca(NO3)2+K2SO4=2KNO3+CaSO4;
Ca(NO3)2+K2CO3=2KNO3+CaCO3;
Mg(NO3)2+K2CO3=2KNO3+MgCO3;
硝土本身也含有硝酸钾,最后利用各种盐溶解度的差异,控制温度和浓度,使硝酸钾从混合液中结晶出来。
【操作】
把硝土和草木灰分别研细碾碎。按硝土和草木灰8:1的质量比称取原料(原料比因来源不同而有所变化),混合后放在一只大烧杯中,加入约75C的热水到浸没混合物为止。
用玻棒不断搅拌约15分钟,再进行抽滤。料渣再一次放在烧杯里,加适量热水并搅拌
15分钟,再次抽滤,把两次的滤液合并在一起(原料较多时也可只抽滤一次)得到的滤液常称为硝水。
把硝水倾入一只大蒸发皿中,加热蒸发(这一步叫做熬硝)加热时要不断搅拌,防止粘底和飞溅。
当蒸发掉2/3〜3/4体积的水时停止加热。这时溶液比较粘,蒸发皿底部已析出少量固体。用玻棒取一滴溶液滴在纸上,溶液如果立即凝结成团状,说明已达到要求,立即趁热抽滤。这时温度很高,硝酸钾的溶解度较大不会析出,而氯化钠、氯化钾等由于溶解度较小而析出。
让滤液自然冷却到30°C,这时硝酸钾的溶解度受温度的影响变化最大,溶解度急剧下降而大量析出。氯化钠等盐的溶解度变化小,基本上不再析出。再次抽滤,即得硝酸钾晶体。如果要进一步提纯,可再次重结晶。
【说明】
草木灰以养麦杆、棉花壳、棉杆、蚕豆杆、菜子杆、番茄杆、高粱杆、玉米杆等植物燃烧后得到的灰为最好,它们钾的含量可达10〜15%。当然其他草木灰也可以使用。
以上原理也适用于土法生产土硝。
土壤pH值的测定
【原理】土壤里含有许多有机酸、无机酸、碱以及盐类等物质,各种物质的含量不同,使土壤显示出不同的酸碱性。土壤的酸碱性可以用酸度表示,即用pH值表示土壤的酸碱性。〜。土壤酸碱度的分级情况见下表。
pH值
土壤酸碱度
pH值
土壤酸碱度
<
强酸性
弱碱性
—
酸性
'—5:
膩性
—
弱酸性
>
强碱性
—
中性
土壤的酸碱度会影响作物生长,各种作物对土壤pH值的要求也是不同的。下表是一些主要农作物适宜生长的酸度范围。
测定土壤的酸度,一般用蒸馏水或盐溶液(常用氯化钾)提
作物
最适有卩H值范馬
作物
最话官pH值蒂WI
水粗
-
-
-
*麦
'
-
大爰
-
-
|-
-
玉采
-
、西瓜
込
-
-
-
-
决豆
-
^■
-
花生
-
-
甘草7
-
-
8
取土壤中游离态或代换性的氢离子,然后用pH试纸或备有标准色阶的pH混合指示剂测定溶液的酸碱度。如果用pH计,测定的值更精确。
【操作】称取1g风干或新鲜土样,放入试管内,加入5mL蒸馏水,试管口加塞后充分振荡,放置澄清后用精密pH试纸(〜)测定上层清液的酸度。
【说明】
(1)土壤样品的采集要科学。例如,测定大田的土壤酸度,采样时应多点取样,如10亩地可取5个点,30亩地可取10个点,大于30亩可取15〜20个点。把各点的样品充分混合后,测定所取土样。为了保证测定准确,应重复测试一次,加以验证。
(2)蒸馏水必须用pH=7的中性水,否则要用氢氧化钠溶液或盐酸把pH值调到中性。
(3)速测用的土样一般以新鲜的自然湿土为宜。保存备用土样要风干,潮湿的土壤易受微生物的作用而改变土壤的性质。风干的方法是:把土样摊在塑料薄膜或纸上,趁它在半干状态时压碎,除去残根等杂质,铺成薄层晾干,再用木棒碾碎。风干场所要干燥通风,防止酸、碱气体侵入。风干后再次研磨、过筛处理,最后装入土样瓶或塑料袋内,保存备用。