书城童书化学家的困惑学生(最想知道的未解之谜)
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第18章 奇特的试验发现

天平不平衡

取两只小烧杯,盛上同百分比浓度、同体积的盐酸若干毫升,把他们放在天平两边的托盘上,这时天平两边平衡。然后,分别朝这两烧杯加入等量的纯碳酸钙和锌粒,待反应完毕,如两边放出了等体积的气体,问天平是否仍保持平衡?若不平衡,指针偏向哪边?

解:此类题很容易迷惑人,题目中那些“同浓度”、“同体积”、“等量”等字眼会令某些粗枝大叶的同学不假思索地回答:天平保持平衡,指针指在标尺中间。然而,这个回答是错误的。我们解这种题,必须注意从反应生成的二氧化碳及氢气的质量上去考虑,否则不可能得出正确的答案。

我们先用化学方程式表达这两个烧杯里发生的化学反应:

Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑(左边)

CaC2+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑(右边)

尽管锌与碳酸钙“等量”,两边的盐酸“同百分比浓度”、“同体积”,反应产生的二氧化碳和氢气亦“等体积”,但是“等体积”不同于“等质量”,在同体积的情况下,二氧化碳的质量比氢气的质量大得多。若某一体积的氢气质量为2克,那么同体积的二氧化碳气体的质量就为44克。显然,原题目的答案应该是:天平左边下沉,右边上升,指针会向左边偏斜。

水助燃之谜

中国有句俗语叫“水火难容”,意思是说水是火的对头,两者是势不两立的事物。水能灭火也是常见的事实。大家知道,只要哪里发现火灾,消防车就会隆隆地开去,喷出“大水”,火便会很快熄灭。但是,在特定的条件下,水却能帮助燃烧哩!或许您早已注意到,在工厂或老虎灶旁边的煤堆里,工人师傅常把煤堆浇得湿淋淋的,如果您问他们为什么要浇水时,他会告诉您说:“湿煤要比干煤烧得更旺。”难道这是可能的吗?

燃烧示意图

原来,世界上一切事物,都会按不同的条件表现自己的独特性格,水也不例外。其实水能助燃,也表现在日常生活上。当你在烧开水时,如果壶里水开了溢出来,落到煤炉上,顿时火焰会变得更旺。究其原因也不复杂,因为当炉膛中煤燃烧的温度很高时,加入水,就会和煤起化学作用生成一氧化碳和氢气。

一氧化碳和氢气都是燃烧的能手,这样一来,炉膛内的火就会烧得更旺,水能助燃的奥秘就在这里。为了证明上述的原理,我们可以做下面的一个实验。烧瓶中放入200毫升水,在另一燃烧管中放入粒状硬质煤块,实验开始时先用小火匀热烧燃管,再用大火对着煤块加热使煤块变红,同时把烧瓶中的水煮沸,使水蒸气通过烧燃管,此时在另一端燃烧管口点燃,就有蓝色火焰出现。这个实验,也是工业上制造水煤气的原理。

用电写字之谜

电在生活中的广泛用途是不言而喻的。你瞧,电灯、电影、电视、电炉、电子琴等等,哪样离得开它呢。但是听到电还可用来写字,也许你会不相信吧,可这是千真万确的事情。

在一个玻璃杯中,放入少量食盐,再加进一些水和十几滴无色的酚酞溶液,用玻璃棒搅拌使食盐溶解;然后巴一张白纸浸入玻璃杯中,待纸浸透后取出,放在一块铜板或铜片上面。接着再把2~4节干电池串联起来,用导线把电池的正极接在铜板上,负极接在一支两头都削尖的铅笔的一头上,用铅笔的另一头轻轻地在纸上写字:嘿,铅笔划处,竟出现了十分醒目的红字。

这里的奥秘在于:用石墨制成的铅笔芯是能够导电的。白纸上的食盐水通电后,会被电解,分离成氯气、氢气和烧碱;而烧碱遇到无色的酚酞溶液会变成红色,于是铅笔写过字的地方就留下了红色的字迹。如果用碘化钾、淀粉溶液浸透白纸,然后再把铅笔的一头与铜板的电极互换一下,那么写出来的就是蓝紫色的字了。

一加一不等于二

把一杯水倒进盆里,再倒进一杯水,盆里就是两杯水。同样,把一杯盐倒进罐里,再倒进一杯盐,罐里就有两杯盐了。如果把一杯盐和一杯水倒进盆里,那么盐水是不是两杯呢?请你做完下面的实验再回答。

实验一实验用具:(1)天平一架。如果没有现成的天平,可以找一根粗细均匀的竹棍、两个同样的罐头瓶盖和一些线绳,做一个简易的天平。砝码可以用硬币代替。(2)量筒一个。没有现成的量筒,用一个大些的药瓶来代替也行。剪一张比瓶身短一点的窄纸条,把它对折成十等分,并划出记号,然后贴在瓶子上。(3)一根玻璃棒,或者一根筷子。

实验方法:先用量筒取3个单位盐,放在天平上称一称,记下它的质量多少,将盐倒在纸上。再用量筒取7个单位水,也用天平称一称,并记下质量多少。然后把称过的盐徐徐倒入量筒。当盐还未溶解时,看看水面在什么位置并记下来。接着,拿玻璃棒插进量筒,轻轻搅动,使盐充分溶解,再看看液面在什么位置。你一定会发现,盐充分溶解后的液面比盐没有溶解时的水面低一些。那么,盐充分溶解后的盐水的质量是不是比原来盐和水的质量小呢?你可以把它放在天平上称一称,盐水的质量正好是盐和水的质量的总和,一点也没有减少。

实验二刚才做的实验是固体(盐)和液体(水)混合的情况。液体和液体混合的情况又如何呢?请你再做下面的实验。

实验用具:天平一架、量筒两个、玻璃棒一根。

实验方法:用一个量筒取4个单位的酒精,放在天平上称一称,记下质量多少。用另一个量筒取6个单位的水,放在天平上称一称,也记下质量多少,然后把水徐徐注入酒精量筒。在两种液体尚未混合时,看一看液面在什么位置。再用玻璃棒搅动,使两种液体混合,再看看液面的位置。接着,你再把酒精和水混合的液体放在天平上称一称。你会得到同前一个实验一样的结果。

这两上实验说明:无论是固体溶解在液体里,还是液体和液体混合成溶液,混合后液体的质量等于混合前两种物质的质量的总和,而混合后液体的体积却小于混合前两种物质的体积的总和。

这是为什么呢?想一想!想过以后再看下文。

我们知道各种物质都是由分子组成的。各种物质的分子都有各自的质量和体积。质量的定义告诉我们:质量是物质本身的一种属性,它不随物质的形状、温度或状态的不同而改变,也不随物质的位置不同而变化。当两种物质混合后,它们的形状、位置发生了变化,但是质量并没有发生变化,所以混合前同混合后的质量相等。而体积就不同了,因为各种物质的分子有大有小。某种物质的分子大,它的分子与分子之间的空隙也大,某种物质的分子小,它的分子与分子之间的空隙也小。当小分子的物质和大分子的物质混合成溶液时,前者的分子就会填充在后者的分子空隙里。因此,两种物质混合成溶液后的总体积一般小于两种物质原来的体积的总和。这就像把一满碗花生米和一满碗小米混合后,未必有两满碗一样。当然,也有例外的情况,不过,这要等你将来学了更多的化学知识以后,才能进一步了解。

会变色的紫罗兰

清晨,花匠照例采下一篮鲜花,送到主人玻义耳的房间。玻义耳是17世纪英国著名化学家,他热爱工作,也十分喜爱鲜花。因为美丽的鲜花能让人赏心悦目、消除疲劳;扑鼻的花香则令人心旷神怡、精神振奋。今天花匠送来的是深紫色的紫罗兰,是玻义耳最喜欢的一种花。玻义耳随手取出一束紫罗兰观赏起来。

盛开的紫罗兰

“老师,我们买的盐酸从阿姆斯特丹运来了。”助手威廉报告说。

“哦,这酸的质量好吗?请倒一点儿出来,我想看一看。”说着,玻义耳走进实验室。他把手中的紫罗兰放在桌上,帮威廉一起倒盐酸。瓶盖刚打开,刺鼻的气味便冲了出来,瓶中那淡黄色的盐酸液体还在不断地向外冒烟。

“嗯,这酸的质量看来不错。”

玻义耳满意地拿起那束紫罗兰,又回到书房。这时,他看到花朵的上方微微飘动着轻烟。糟糕!准是给浓盐酸熏着了,应当赶快冲洗一下。玻义耳把花头朝下放进一只盛满清水的杯子里,便坐下看起书来。

过了一会儿,他抬起头来。奇怪,杯里紫色的花儿怎么变成了红色?

“难道?”玻义耳的心猛地跳动起来,他不由地回想起一件往事。

那还是许多年前,年轻的玻义耳离开喧闹的伦敦,到斯泰尔桥乡下的别墅去度假。在那里,他与当地一位医生的女儿爱丽丝相爱了。

一次,他们一同出去散步,突然看到有人跪在田里吃土。看到玻义耳疑惑不解的神情,爱丽丝说:他们是在用嘴辨别土壤的酸碱性,好决定给地里种什么作物,施什么肥料。爱丽丝还告诉他,在父亲的诊所里,常有因为尝土而染上疾病的人,有时他们还会悲惨地死去。玻义耳被深深触动了,他很长时间默默不语。

“亲爱的,你不是化学家吗?想想办法,别让他们再尝土了!”爱丽丝哀求道。

“放心吧,我会有办法的。”玻义耳自信地说。

谁知一年后,爱丽丝被肺结核夺去了生命。可是,她那善良和期待的目光却是玻义耳永远忘不了的。想到这里,玻义耳放下书,提起满篮的花儿大步走进实验室。

“快!威廉,赶快取几只烧杯来!每只杯里倒上不同的酸。对,还要用水把酸稀释一下。”

威廉马上照老师的吩咐办了。尽管他暂时还不明白这是为什么,可是他知道,待会儿一切都会清楚的。

玻义耳给每只烧杯里都放进一朵紫罗兰,并招呼威廉坐下来仔细观察。果然,深紫色的花开始变色。先是淡红,不久完全变成了红色。

哦,威廉明白了,老师是想用花的颜色变化来判断酸的浓度。

“老师,有遇到碱会改变颜色的植物吗?”威廉大胆地问。

“完全可能有!我们现在就来动手试验。”

他们从花园采来了各种鲜花,又到野外收集了青草、树叶、苔藓、树皮和植物的根,从中萃取出汁液,再用酸和碱一一去试。

他们发现,有一种从石蕊苔藓中提取出的紫色浸液,遇酸变红、遇碱变蓝,十分灵验。

这是多么有用的东西啊!玻义耳给它们取名为“指示剂”。有了指示剂,人们再也不必为判断物质的酸碱性而犯愁了。玻义耳终于实现了自己的诺言,他仿佛又看到爱丽丝那含笑的目光。这种酸碱指示剂,现在我们还常常使用。

狱中进行的实验

1839年冬季,一个寒冷的夜晚,在美国康涅狄格州债务人监狱里,一名正在服刑的犯人坐在火炉旁,他一边烤火取暖,一边用手揉搓着一团胶泥般的东西。这名犯人叫古德伊尔,他随父亲一起做五金生意时,不慎破了产,因无力偿还债务,代父亲进了监狱。古德伊尔的父亲虽不善于经营,却是个业余发明家,他制作的几种新式农具,很受人们欢迎。在父亲的熏陶下,古德伊尔从小就喜欢动脑筋、搞发明,即使在服刑时,他也不肯放弃自己的爱好。

古德伊尔手中揉搓的那团胶泥,是橡胶与硫的混合物,他正在做改良橡胶性能的实验。5年前,人们发现橡胶汁具有良好的防水性能,很想利用它做点什么。但遗憾的是,这种天然橡胶遇冷便硬得像皮板,遇热则变得又软又粘,许多人都在设法改进它的性能。古德伊尔对此也很感兴趣,几年来他一直在研究这个问题,入狱后也没忘记继续做实验。古德伊尔听说用硫处理过的橡胶不发粘,自己也想试试。他按各种不同的配比进行实验,效果都不明显。一天,夜已经深了,古德伊尔的胳膊和手指又酸又痛,困乏也阵阵袭来。哎呀,不好!手中的橡胶团不知怎么掉在了火热的炉盖上,古德伊尔赶快用手抓起了橡胶团,并走到远离火炉的地方。这时古德伊尔惊讶地发现,刚才粘在炉盖上的那块橡胶变得十分柔软,尽管已经不热了,却一点儿也不像平常那样,遇冷就硬邦邦的;而没有被火烤过的地方依旧很硬。

“太棒了!看来,加热也许能改善橡胶的粘性和易受冷热影响的问题。”古德伊尔刚才的疲劳一扫而光,他兴致勃勃地继续做起实验来。果然,烤过的加硫橡胶增强了弹性,即使在高温下也不再又软又粘。古德伊尔进班房,只是因为试验成功,所以不久他就被释放了。出狱后,为了寻求最理想的加热温度和时间,古德伊尔又进行了许多次实验。1844年,他终于制成了一种新型的橡胶——伏尔甘硫化橡胶,并获得了专利。“伏尔甘”是古代罗马的火神,正是火给古德伊尔带来了这个重大的发现,从而导致了重大的发明。

但是,古德伊尔的专利屡遭侵犯,在英国和法国,因为一些技术和法律上的问题,他丧失了专利权;在美国,他的专利权也未得到保护。尽管古德伊尔的发明给别人带来了巨额利润,他却因负债于1855年在巴黎再度入狱。1860年,他在贫困中去世。有人估计,他死时负债仍达20万美元。

半个世纪后,人们把一种汽车轮胎命名为古德伊尔,以示对他的纪念,因为这种汽车轮胎是用他发明的伏尔甘橡胶制造的。