在理科实验中具有相同现象的事例很多,但导致产生这种现象的原因可能并不相同。下面就以化学实验为例对这一类知识作些归纳,以便于使该类知识系统化,使我们能够更好地运用这些知识解决实际问题。
1.褪色。
褪色是化学实验中的一种常见现象,如品红溶液的褪色、有色布条的褪色、酚酞的褪色等。能够导致有色物质褪色的物质种类很多,但褪色原理却不尽相同。
化学变化所导致的褪色:⑴氯气使品红溶液、有色布条的褪色;⑵漂白粉使品红、有色布条的褪色;⑶双氧水使品红溶液的褪色;⑷Na2O2使酚酞的褪色;⑸SO2使品红溶液的褪色;⑹加热滴有酚酞的氨水溶液的褪色;⑺向滴有酚酞的稀碱溶液中滴加酸液的褪色;⑻久置的酸性KMnO4溶液的褪色。这些褪色现象有一个共同的前提条件:必须在水溶液或潮湿(如湿润的有色布条)的环境中。但也有所不同,其中⑴和⑵的褪色原理是:在水溶液中氯气和漂白粉产生了HClO,由HClO导致有色物质褪色(严格说是HClO分解产生的原子氧所导致的褪色),⑷中Na2O2使酚酞褪色是Na2O2溶解于水产生双氧水的结果,⑻中酸性KMnO4久置,自身分解而褪色;⑴-⑷和⑻这五种褪色是不可逆的,原因是这些强氧化性的物质所产生的原子氧把发色基团彻底地氧化为无色基团,或将有色物质分解。⑸、⑹、⑺三种褪色是可逆的,其中⑸中SO2先与水化合为H2SO3,H2SO3和有色物质结合生成不稳定的无色物质,该无色物质在遇热的条件下可恢复原来的颜色。在⑹和⑺中褪色后的溶液中滴加碱性物质,红色也可以恢复。
物理变化所导致的褪色:⑴木炭、活性炭等使NO2、品红或者红墨水等褪色。这是木炭、活性炭等多孔物质所具有的吸附作用的结果,这些多孔性物质既可以吸附有色物质,又可以吸附异味。⑵萃取操作中的褪色。这种褪色是一种溶解,是萃取剂把有色混合物(如氯水、溴水、碘水等)中有色成分(如氯气、溴、碘等)吸收出来,溶解在萃取剂中的结果;⑶久置的溴水褪色,由于密封不严导致了溴的挥发而褪色。
2.爆炸。
在化学实验中,爆炸主要是指剧烈的氧化还原反应,所以一般是化学变化,但也有例外。
化学变化所导致的爆炸:⑴可燃性气体(如H2、CO、H2S、CH4、C2H4、C2H2等)与氧气或空气混合,并达到一定的比例(爆炸极限范围内),遇明火或高温即可爆炸。⑵可燃性液体(如苯、甲苯、汽油等)挥发到空气中,其比例若在爆炸极限内,遇明火或高温也可爆炸。⑶可燃性固体变为粉尘(如面粉、蔗糖、锯末等),分散在空气中并达到其爆炸极限,遇火或热也可爆炸。⑷氢气和氯气混合,在光照的条件下可以爆炸。这类爆炸必须同时具备两个条件:①可燃性的物质与氧化性的气体混合,且其体积比在其爆炸极限内;②混合气体有明火引燃或加热。
物理变化所导致的爆炸:⑴由于操作失误或实验设计不合理,导致实验装置的导管或出气口堵塞,装置体系内温度迅速升高、气体体积膨胀或产生大量的气体,致使装置体系内外存在较大的气压差而出现爆炸(多为炸裂)。⑵液化气灌在高温(如失火的情况)烘烤下,灌内的液化气急剧膨胀,导致液化气灌爆炸(爆炸后又使液化气在周围空间与空气混合发生化学变化类的爆炸,危害极大)。⑶锅炉由于积垢而爆炸。
核反应爆炸:⑴核裂变所导致的原子弹爆炸。⑵核聚变所导致的氢弹爆炸。
3.发光。
有些发光现象是由化学变化产生的,有些发光现象则是由物理变化产生的,而有些发光现象的背后既有化学变化,又有物理变化。
化学变化所导致的发光:⑴可燃性物质在空气或氧气中燃烧,如H2、CO、酒精等在空气中燃烧发光。⑵金属在纯氧中燃烧,如铁丝、铝箔在氧气中燃烧发光。⑶H2在Cl2燃烧发光。
物理变化所导致的发光:⑴炽热的固体可发光,如炽热的木炭、钢铁、电灯泡内的钨丝等。⑵炽热融熔态的流体发光,如炽热融熔的玻璃、火山岩浆等。
化学变化和物理变化共同导致的发光:可燃性有机物随着含碳量的增加(如甲烷、乙烯、乙炔等),燃烧所产生的光的亮度也加大,这是因为含碳量越大,燃烧越不充分,产物中的碳单质成分就越多,这些单质碳在高温的火焰中变的炽热而发光,所以有机物燃烧所发出的光既有燃烧所导致的化学发光,又有炽热的单质碳的物理发光。
4.澄清。
化学变化所导致的溶液澄清:⑴浑浊的石灰水(CaCO3小颗粒所导致的浑浊)中通入足量的CO2,溶液澄清,这是因为:CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2,其中碳酸氢钙的溶解度大于碳酸钙的溶解度。⑵苯酚浑浊液中加入浓碱液(或NaOH固体),溶液澄清,这是因为:C6H5-OH+NaOH→C6H5-ONa+H2O,其中苯酚钠的溶解度大于苯酚的溶解度。
物理变化所导致的溶液澄清:用明矾(KAl (SO4)2)可使浑浊的水变得澄清(生活中用明矾净水),这是利用了Al(OH)3胶体的吸附作用(注意:Al3+水解为Al(OH)3是一个化学变化过程)。