這兩種試劑瓶為什么會破裂

黨文祥

[摘? ?要]化學實驗室中存在試劑瓶破裂的現(xiàn)象，是空氣進入瓶內(nèi)引發(fā)化學藥品變質(zhì)所致。通過實驗和有關事實進一步驗證，變質(zhì)反應中固體體積增大是導致試劑瓶破裂的原因。文章從塊狀固體的結構特點和粉末狀固體中顆粒之間的距離特點，論述塊狀變?yōu)榉勰r體積增大的原因，指出試劑瓶破裂造成的危害，找到防止試劑瓶破裂的保護方法。

[關鍵詞]碳化鈣;氧化鈣;試劑瓶;破裂;體積增大

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）29-0066-02

筆者所在的學校是一所農(nóng)村中學，化學實驗室設備簡陋，儀器、藥品相對較少。多年來不少存放了很久的化學藥品仍然保留著，其中有些已經(jīng)變質(zhì)，有些試劑瓶出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象。任何事物都具有兩面性，正是這樣的實驗室現(xiàn)狀，為筆者研究實驗室管理提供了素材。下面，筆者就碳化鈣及氧化鈣試劑瓶的破裂問題進行探究。

一、碳化鈣試劑瓶的破裂

在久置的化學藥品中，發(fā)現(xiàn)幾個裝有碳化鈣的塑料試劑瓶破裂了。試劑瓶除了碰撞等特殊原因，一般是不會破裂的。為什么具有彈性的塑料瓶會破裂呢？

1.試劑瓶破裂的可能原因

塑料試劑瓶的破裂，必然是化學藥品的變質(zhì)反應引起的。用碳化鈣制取乙炔時，碳化鈣與水反應很劇烈（① CaC2+2H2O=Ca（OH）2+C2H2）。而試劑瓶中的碳化鈣在放置過程中，也會與水蒸氣很緩慢地、連續(xù)地進行反應，其反應原理與反應①相同（只是水的狀態(tài)不同）。水蒸氣來自于空氣，而空氣中含有二氧化碳，當碳化鈣通過反應①生成氫氧化鈣后，氫氧化鈣會與二氧化碳反應（② Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O）。不論是反應①還是反應②，都會有熱量放出。

因此，致使碳化鈣試劑瓶破裂的可能原因有：（1）生成的氣體使瓶內(nèi)壓力增大，超出了塑料瓶的承受能力;（2）反應放出的熱量使瓶內(nèi)溫度驟升，使塑料瓶受熱變軟;（3）碳化鈣固體變?yōu)闅溲趸}和碳酸鈣時，體積增大，超出了塑料瓶的承受能力。

在瓶內(nèi)與碳化鈣和氫氧化鈣反應的水蒸氣和二氧化碳都是從瓶外進入的。既然空氣能從瓶外進入瓶內(nèi)，那么，瓶內(nèi)生成的氣體為什么不會逸出瓶外呢？況且，將①②兩式加合起來可得：CaC2+H2O+CO2=CaCO3+C2H2。可見，從瓶外進入的氣體比瓶內(nèi)生成的氣體多。因此，試劑瓶的破裂，不是由反應生成的氣體造成的。

裝碳化鈣的試劑瓶有內(nèi)蓋和外蓋。內(nèi)外蓋的存在，使瓶頸與瓶蓋之間的縫隙變得很小，空氣流動并不暢通。因此，同樣是生成乙炔的反應，碳化鈣與水的反應很劇烈，單位時間內(nèi)放出大量的熱;而與進入瓶內(nèi)的水蒸氣的反應則很微弱、很緩慢，單位時間內(nèi)放出的熱量也很少，而且這些熱量不會聚集于一處，而是分散于整個瓶內(nèi)，再通過瓶壁和縫隙傳出瓶外。這樣，就不會在短時間內(nèi)聚集大量的熱而使溫度驟升，也就不會使瓶壁變軟?？梢?，試劑瓶的破裂也不是因為反應放出的熱量造成的。

那么，試劑瓶的破裂，是因為固體體積的增大而造成的嗎？

2.固體體積增大的事實

實驗：取1個燒杯裝入水，將1束衛(wèi)生紙沿中間對折后，將對折的兩部分掛在燒杯壁的兩側，使內(nèi)部的一端浸入水中，然后取出放入干燥器內(nèi)，蓋上干燥器的蓋子。這樣便組成了1個潤室。由于水具有表面張力，衛(wèi)生紙的纖維間結合不緊密，在與水接觸后，水會沿著纖維間的縫隙運動，形成毛細現(xiàn)象，因此整束衛(wèi)生紙很快會變濕潤。衛(wèi)生紙上的水向空間揮發(fā)，使?jié)櫴覂?nèi)的濕度遠遠大于空氣中的濕度。取1塊碳化鈣放入小燒杯中，在燒杯中碳化鈣的最高位置處的水平線上綁1根橡皮條，以作為體積變化的參考線。將燒杯放入干燥器中，大量的水蒸氣與碳化鈣接觸并反應，在較短時間內(nèi)就會看到固體狀態(tài)的變化。

潤室中，塊狀不斷變?yōu)榉勰勰┎粩嘣龆唷?天后，固體粉末超過了橡皮條所處的水平線。線上高度略小于線下高度。粉末所占的空間約為原塊狀碳化鈣體積的6～8倍，即塊狀變?yōu)榉勰r，體積增大了（如圖1）。從潤室中取出小燒瓶，在空氣中敞口放置40天，其體積沒有明顯變化，說明在與二氧化碳反應生成碳酸鈣的過程中，對粉末的體積影響不大。

除了上述實驗，實驗室還有半瓶存放了兩年的碳化鈣，瓶中碳化鈣塊狀的表面已經(jīng)變成了粉末，剩余的塊狀自然埋沒于粉末中。在存放的兩年中，粉末逐漸形成了向上的凸起（由于多次的搖動等原因，凸起的部分變得平緩）。因為采取了緩沖式保護[1]（用塑料膜覆蓋瓶頸和瓶蓋，再用線繩扎封），使進入瓶內(nèi)的空氣流速變小，使體積增大緩慢。這也說明碳化鈣與空氣中的氣體反應的過程，是體積增大的過程（如圖2）。

另外，從試劑瓶破裂的現(xiàn)狀可以看出，是瓶內(nèi)固體體積的增大產(chǎn)生的壓力，使試劑瓶的形狀發(fā)生了改變（如圖3）。

上述事實說明，碳化鈣試劑瓶的破裂，是固體體積增大所致。

3.問題分析

（1）塊狀碳化鈣變?yōu)榉勰顣r體積為什么會增大？①塊狀固體，不論是否為晶體，微粒之間的距離小，結合作用強，每一塊塊狀物質(zhì)就是一個整體。粉末狀固體是由很多小顆粒無規(guī)律地堆放而成的，每個小顆粒也是一個很小的塊狀整體。在顆粒與顆粒之間形狀不同，任意接觸且不緊密。這樣，就使粉末中的小顆粒之間存在大小不同的空隙，從而使塊狀變?yōu)榉勰ㄎ镔|(zhì)種類不變）時體積變大。②碳化鈣固體屬于六方晶系的離子晶體，離子間距離小，作用力強，結合牢固，密度大，塊狀體積小。當其變?yōu)闅溲趸}和碳酸鈣時，不僅物質(zhì)的結構和種類發(fā)生了改變，原來致密堅硬的塊狀也變成了疏松的粉末狀，體積自然會增大。

（2）在碳化鈣變化過程中，二氧化碳不能與固體碳化鈣直接反應，但可以與氫氧化鈣反應生成水，這些水進一步與碳化鈣反應，加快了固體體積的增大，加快了試劑瓶的破裂。

4.試劑瓶破裂的危害

碳化鈣試劑瓶的破裂，是在長期放置過程中不知不覺發(fā)生的。當發(fā)現(xiàn)時，可能已經(jīng)過很長的時間，碳化鈣可能已經(jīng)完全變質(zhì)。如此，不僅會將大量的乙炔釋放于空氣中，而且還會釋放其中的磷化物、砷化物生成的有毒氣體PH3、AsH3。因此，碳化鈣試劑瓶的破裂，不僅會使藥品報廢，而且會嚴重污染環(huán)境。

二、氧化鈣試劑瓶的破裂

在化學實驗室中，也曾出現(xiàn)過氧化鈣塑料試劑瓶破裂的問題。那么，氧化鈣試劑瓶破裂的原因又是什么呢？

氧化鈣放置時發(fā)生的反應，也主要是與水蒸氣的反應：CaO+H2O=Ca（OH）2，然后是氫氧化鈣與二氧化碳的反應：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O，生成的水又與氧化鈣反應。雖然氧化鈣與水的反應是典型的放熱反應，但由于此處是與水蒸氣反應，而且單位時間內(nèi)進入瓶內(nèi)的氣體的量很少，因此在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量少且分散。這些熱量會通過各種形式不斷地散失于空氣中，不會在短時間內(nèi)聚集大量的熱而使塑料瓶變軟破裂。也就是說，反應放出的熱量不是導致試劑瓶破裂的主要原因。

由資料可知，氧化鈣變?yōu)闅溲趸}時，體積增大1～2倍。煅燒良好、氧化鈣含量高的生石灰熟化快，體積增大也較多。再從試劑瓶的破裂現(xiàn)狀（如圖4）可以看出，其破裂的主要原因是固體體積的膨脹。

氧化鈣試劑瓶的破裂，加速了氧化鈣的變質(zhì)，即變?yōu)檠趸}、氫氧化鈣、碳酸鈣等的混合物，從而使氧化鈣失去原有的使用價值，只能做報廢處理。

三、怎樣防止試劑瓶破裂

上述試劑瓶破裂的原因，都是瓶頸內(nèi)外壁與內(nèi)外蓋之間的接觸不嚴密而引起的。因此，要防止試劑瓶破裂，必須從源頭上阻止氣體在瓶口的流動。在長期的實踐中，筆者總結出了碳化鈣和氧化鈣的保護方法：（1）新購置的、短時間內(nèi)不使用的碳化鈣和氧化鈣，必須進行蠟封式保護[2];（2）在某時段內(nèi)使用頻繁的，不便蠟封，應采取緩沖式保護;（對于易變質(zhì)的絕大部分化學藥品，都可以采取蠟封式和緩沖式保護）（3）裝入透明的玻璃瓶中，以便及時觀察瓶內(nèi)藥品的狀態(tài)和體積變化情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理;（4）瓶內(nèi)的藥品不能裝滿，以6～7成為宜。

實驗室中的任何異常現(xiàn)象，都可能與化學反應有關，都可能蘊藏著科學知識和科學原理，對于化學教學和實驗室管理具有一定的研究價值。對此，教師應該認真及時地、積極主動地進行觀察、分析和研究，從中發(fā)現(xiàn)奧秘，總結規(guī)律，及時運用于實驗室管理中，以避免更多問題的出現(xiàn)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 李旭娃.實驗室化學藥品的緩沖式保護[J].化學教學，2016（3）：70-73.

[2]? 李旭娃.實驗室中化學藥品的蠟封式保護[J].化學教育，2016（13）：53-57.

（責任編輯 羅 艷）