教师版专题六喷泉实验所得溶液物质的量浓度的有关计算

专题六喷泉实验所得溶液物质的量浓度的有关计算(教师版)主讲王文博喷泉实验具有趣味性、效果性、探究性和综合性，是中学化学实验中的一个重要的知识点，也是历年高考试题中的热点，题型的设计屡有创新。本专题就喷泉实验的形成原理和试题考查方式进行归纳分析。一、探究喷泉实验的形成原理掌握“喷泉实验”形成原理，需要搞清楚：是否只有水溶性很大的气体才能做喷泉实验？多大溶解度的气体才能做好喷泉实验？例题1、在做氯化氢的喷泉实验时，假设实验时所用的烧瓶容积为250mL，玻璃管长为35cm，胶头滴管内能挤出约为0.5mL的水，则在0.5mL水中要溶解多少体积的气体，水才能从尖嘴导管中喷出呢？（假设大气压强为一个标准大气压）解析：要使水通过玻璃管喷入烧瓶形成喷泉，瓶内外压强差必须超过一个特定的值，我们研究玻璃管中的一段水柱，这段水柱受到瓶内气体压力pS、重力mg及向上的大气形成的压力p0S。要使水柱喷入瓶内，要求：p0S＞pS＋mg。式中p0＝ρgh，要以水柱计算，一个标准大气压相当于10.34m水柱产生的压强。题中给出h为0.35m。从而算出烧瓶内压强要求小于9.99m水柱产生的压强，减少的压强要求大于0.35m水柱产生的压强。根据气态方程（pV=nRT）可以求出，压强为0.35m水柱高、体积为250mL的气体，当压强改变为1个标准大气压（即10.34m水柱形成的压强）的体积V的大小为8.50mL。因而，当滴管内0.5mL的水挤压入烧瓶后，如能溶解1个标准大气压下8.50mL的以上的氨气，即有喷泉现象发生。故要求气体的溶解度大于17（8.50/0.5）。拓展：由本题给出的烧瓶数据不难得到除氨气外，HBr、HCl、SO2等气体的溶解度均大于17，均能形成美丽的喷泉。二、分析喷泉实验成功的关键是：①盛气体的烧瓶必须干燥，否则甁中有液体，会使瓶口留下空气，形成的喷泉压力不大（喷泉”无力”）；②气体要充满烧瓶；③烧瓶不能漏气（实验前应先检查装置的气密性）；④所用气体能大量溶于所用液体或气体与液体快速反应。形成喷泉的组合(1)常温常压下），NH3、HCl、SO2、NO2与水组合能形成喷泉。(2)酸性气体与NaOH(aq)组合能形成喷泉，例如CO2与NaOH，SO2与NaOH等。(3)有机气体与有机溶剂组合也能形成喷泉。例题2、(1)判断下列几种气体（括号内为溶剂或反应物溶液），按如图装置加入，能看到喷泉现象的是（）(2)、(1)题中能形成喷泉的原因是_______________________。(3)某学生试图用氨气和水去做喷泉实验，结果实验失败，试分析实验失败可能的原因。解析：(1)此题起点低，从课本知识点入手须深入理解喷泉实验的原理，再进行类比迁移。具体思路为：HCl和NH3极易溶于水形成喷泉，再把概念外延，气体极易溶于某一溶剂或溶液便形成喷泉，选A、C。(2)形成喷泉要知其所以然，该小题的能力要求显然高于（1）小题。气体极易溶解（如有少量水进入后能溶解大量气体）。导管容器内气体物质的量减小，容器内压强减小，容器内外产生较大压强差，从而形成喷泉。(3)实验失败原因的分析则需要学生大胆假设，在理解基础上需进行创新。其实验失败可能的原因有：制备氨气时烧瓶潮湿；装置漏气；滴入烧瓶里的水太少，导管又偏长；或氨气中混入了空气等。答案：（1）AC（2）气体极易溶解，导致容器内压强减小，致使容器内外产生较大压强差，从而形成喷泉（3）制备氨气时烧瓶潮湿；装置漏气；滴入烧瓶里的水太少，导管又偏长；氨气中混入了空气等。三、阐释形成喷泉的方式A、HCl（H2O）B、CO2（H2O）C、SO2（NaOH溶液）D、NH3（汽油）1、用“增大压强”的方式形成喷泉当液柱两端受到气体的压强处于平衡状态时，不会形成喷泉。但当增大液体进入口端气体的压强时，可以破坏液柱的平衡，使液柱发生运动而形成喷泉。在体积一定的情况下，要增大气体压强，可以采用升温的方法或增加气体的分子数方法。升温可以用热水浇注或用手或热毛巾等将烧瓶捂热(物理方法),也可以用放热反应放热升温（化学方法）；增加气体的分子数可以用打气机打入部分气体或使液体蒸发(物理方法)，也可以用化学反应产生大量气体而增加气体的分子数（化学方法）。2、用“减小压强”的方式形成喷泉当液柱两端受到气体的压强处于平衡状态时，不会形成喷泉。但当减小喷出端气体的压强时，可以破坏液柱的平衡，使液柱发生运动而形成喷泉。在体积一定的情况下，要减小气体压强，可以采用降温的方法或减少气体的分子数方法。降温可以用冷水浇注(物理方法),也可以用吸热反应吸热降温（化学方法）；减少气体的分子数可以用抽气机抽出部分气体(物理方法)，也可以让气体大量溶解于液体之中而减少气体的分子数（化学方或物理方法）。例题3、喷泉实验是中学化学的一个重要性质实验，也是一种自然现象。其产生原因是存在压强差。试根据附图，回答下列问题：(1)在图乙的锥形瓶中，分别加入足量的下列物质，反应后可能产生喷泉的是（）A．Cu与稀盐酸B．NaHCO３与NaOH溶液C．CaCO３与稀硫酸D．NH４HCO３与稀盐酸(2)在图乙的锥形瓶外放一水槽，锥形瓶中加入酒精，水槽中加入冷水后，再加入足量的下列物质，结果也产生了喷泉。水槽中加入的物质不可能是（）A．浓硫酸B．生石灰C．硝酸铵D．烧碱(3)城市中常见的人造喷泉及火山爆发的原理与上述________装置的原理相似。(4)如果只提供如图丙的装置，引发喷泉的方法是______________。解析：(1)题设的四个选项，既是对常见气体的制备方法的一个概括，又是对形成喷泉原理的一个深化，答案选D。(2)浓硫酸、生石灰、烧碱溶于水时，放出大量的热，温度升高，酒精挥发加快，锥形瓶内压强增大，从而形成喷泉，而硝酸铵溶于水时，吸收大量的热。故答案为C。(3)图甲装置是因为上部烧瓶内气体压强突然减小而产生压强差形成喷泉；图乙装置恰恰相反，是因为下部锥形瓶气体压强增大而产生压强差形成喷泉。并将视角转向生活与自然进行联想和比较。故答案为乙。(4)方法一、打开止水夹，用手(或热毛巾等)将烧瓶捂热，氨气受热膨胀，赶出玻璃导管内的空气，氨气与水接触，即发生喷泉；方法二、烧瓶上覆盖冷毛巾或淋洒冷水，使烧瓶内温度降低，压强减小，从而引发喷泉；方法三、在烧瓶上涂抹无水乙醇，由于乙醇挥发带走热量使烧瓶内温度降低，压强减小，引发喷泉。四、总结喷泉实验后浓度的计算喷泉实验所得溶液物质的量浓度的计算是近年高考中出现的一种小类型题，很有特点。把这种计算的类型和解法总结如下。1、类型⑴、气体是溶质：如用HCl、HBr、HI、NH３等和水进行的喷泉实验。⑵、气体不是溶质：如用NO２和水、NO２和O２的混合气体和水进行的喷泉实验。2、解题思路解决这类问题可从物质的量浓度的计算公式出发，根据题意先确定所得溶液中溶质的物质的量和溶液的体积，再计算出物质的量浓度。但题中一般没有具体的数值，而且关系比较复杂，所以把握好其中的两大关系是解题的关键：①容器中的气体和所得溶液溶质的关系(气体是不是溶质，气体和溶质间有何定量关系)；②溶质气体(或生成溶质的气体)体积和溶液体积的关系。例4、标准状况下，在六个干燥的圆底烧瓶中分别充满：①纯净的NH3，②混有少量空气的HCl，③纯净的NO2，④混有少量NO的NO2，⑤NO2和O2［V（NO2）∶V（O2）＝4∶1］，⑥NO2和O2［V（NO2）∶V（O2）＝4∶3］，分别和水进行喷泉实验，经充分反应后，所各溶液的物质的量浓度之比为（）。A．1∶1∶1∶1∶1∶1B．3∶3∶2∶2∶3∶3C．5∶5∶5∶5∶4∶4D．无法计算解析：（1）．第①、②个烧瓶属第一种计算类型，其中的两大关系为：(1)气体或主要气体是所得溶液的溶质；(2)烧瓶中有多少体积的溶质气体，就能得到多少体积的溶液，即V（溶质气体）＝V（溶液），而与杂质气体无关。第①个烧瓶最终会充满溶液，V（溶液）＝V（NH３）＝V（烧瓶）；第②个烧瓶最终不会充满溶液，会剩有空气，V（溶液）＝V（HCl）＜V（烧瓶）。设两烧瓶中NH３、HCl的体积分别为aL、bL，则所得溶液的浓度分别为：（2）后四个烧瓶属第二种计算类型，NO2或NO2和O2均不是溶质，它们与水反应生成了硝酸，硝酸才是溶质。由3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO可知③、④两个烧瓶中的具体情况为：n（HNO3）＝（2/3）n（NO2），V（溶液）＝（2/3）V（NO2）。设两个烧瓶中的NO2分别为cL、dL，则溶液的浓度分别为：由4NO2+O2+2H2O=4HNO3可知第⑤、⑥两个烧瓶中的具体情况为：HNO3的物质的量是恰好完全反应的NO2和O2(体积比4:1的总物质的量的4/5，溶液体积等于恰好完全反应的NO2和O2的总体积。第⑤个烧瓶最终会充满溶液，第⑥个烧瓶不会充满，剩有过量的O2，但溶液与反应了的气体间的关系不受影响。设两个烧瓶中恰好完全反应的NO2和O2的总体积为mL、nL，则溶液浓度分别为：综上所述，溶液的物质的量浓度之比为：1:1:1:1（4/5）：（4/5），即5：5：5：5：5：4：4，故该题的答案为C。巩固提高1．制取氨气并完成喷泉实验（图中夹持装置均已略去）。（1）写出实验室制取氨气的化学方程式：（2）收集氨气应使用法，要得到干燥的氨气可选用做干燥剂。（3）用图1装置进行喷泉实验，上部烧瓶已装满干燥氨气，引发水上喷的操作是。该实验的原理是。（4）如果只提供如图2的装置，请说明引发喷泉的方法：。答案（1）2NH4Cl＋Ca（OH）22NH3↑＋CaCl2＋2H2O（2）向下排空气碱石灰（3）打开止水夹，挤出胶头滴管中的水。氨气极易溶解于水，致使烧瓶内气体压强迅速减小。（4）打开夹子，用手（或热毛巾等）将烧瓶捂热，氨气受热膨胀，赶出玻璃导管内的空气，氨气与水接触，即发生喷泉。2.在标准状况下，将O2与NO按3：4体积比充满一个干燥烧瓶，将烧瓶倒置于水中，最后烧瓶内溶液物质的量浓度约是（）A．0.036mol/LB．0.026mol/LC．mol/LD．0.030mol/L解析：在干燥瓶内O2与NO混合后立即发生发应2NO＋O2＝2NO2，因此烧瓶中实际上充满的气体是NO2和O2，且V（NO2）：V（O2）=4：1，所以烧瓶倒置于水中，发生的反应实际上是4NO2＋O2＋2H2O=4HNO3，即硝酸浓度为4/22.4÷5＝0.036（mol/L）。3．在右图所示的装置中，烧瓶中充满干燥气体a，将滴管中的液体b挤入烧瓶内，轻轻振荡烧瓶，然后打开弹簧夹f，烧杯中的液体b呈喷泉状喷出，最终几乎充满烧瓶。则a和b分别是()3．BD4．喷泉实验是中学化学的一个重要性质实验，也是一种自然现象。其产生的原因是存在压强差。试根据附图，回答下列问题：（1）在图A的烧瓶中充满干燥气体，胶头滴管及烧杯中分别盛有液体。下列组合中不可能形成喷泉的是A．HCl和H2OB．NH3和H2OC．NH3和苯D．CO2和烧碱溶液（2）在图B的锥形瓶中，分别加入足量的下列物质，反应后能产生喷泉现象的是A．Cu与稀盐酸B．NaHCO3与NaOH溶液C．大理石与稀硫酸D．碳铵与稀硝酸（3）若图B的锥形瓶内是无水酒精，水槽内是冷水，则向水槽中加入足量的下列哪些物质也会产生喷泉现象？A．浓硫酸B．生石灰C．氢氧化钡晶体与NH4Cl固体D．氢氧化钠固体（4）城市中常见的人造喷泉及火山喷发的原理与上述装置的原理相似。（5）如果只提供如图C的装置，引发喷泉的方法是。（6）图D是用排水取气法收集的一瓶乙烯，请你结合喷泉原理和乙烯的化学性质，在图D的基础上a（干燥气体）b（液体）ANO2水BCO24mol/LNaOH溶液CCl2饱和NaCl水溶液DNH31mol/L盐酸设计一个方案，使它产生喷泉，力求使水充满整个烧瓶。简述操作过程。4、（1）C（2）D（3）ABD（4）B（5）打开夹子，用手（或热毛巾等）将烧瓶捂热，氨气受热膨胀，赶出玻璃导管内的空气，氨气与水接触，即发生喷泉。（6）先在一个气球内充入与烧瓶等体积的氯气或溴化氢，打开止水夹K，从图中乳胶管处将气球内气体缓缓送入烧瓶内。5.某同