化学揭秘人造溶洞

石笋林立、钟乳多姿的溶洞是大自然鬼斧神工的杰作。我们也都知道,美丽的溶洞并非一朝一夕能形成的,一根小小的石笋,可能需要上千年的时间。但王爷爷却能用很短的时间让这种美丽的景观呈现在我们眼前,一起去看看吧!

来到王爷爷家,只见王爷爷拿出一个里面装有水的大玻璃瓶子放在桌面上,将一个底部打有小孔的塑料瓶底用挂钩架在瓶口内(挂钩淹没在水中),然后向塑料瓶底中分别放进一些白色的、蓝色的、蓝绿色的、大小不一的小石头。奇迹出现了,一些掉入瓶底的小石头慢慢地由下往上长出了“石笋”,而在上面瓶口处也慢慢地悬挂出了“钟乳石”。很快,有的钟乳石就和底部的石笋连起来了,形成了石柱,几分钟后,玻璃瓶中就布满了五颜六色的钟乳石和石柱,真的出现了犹如溶洞的美丽景观,小小的空间里别有洞天。

为什么这些像小石头的物质可以在液体中生长呢?

化学揭秘

其实,王爷爷玻璃瓶中装的不是真正的水,而是一种化学试剂,名叫硅酸钠(磷酸钠也可)。硅酸钠又叫水玻璃,它是一种非常普通的化工原料,可以作黏合剂,也可以作填充剂。硅酸盐中除了锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)六种离子与硅酸根(SiO32-)形成的盐能溶于水外,其余金属的硅酸盐都不溶于水,并且大多都能呈现美丽的颜色。在水玻璃溶液中,加入金属盐的晶体时,金属离子可与水玻璃作用生成不溶于水的硅酸盐。

化学小贴士

半透膜:是一种只让某种分子或离子扩散进出,即对不同粒子的通过具有选择性的薄膜。

半透膜在化学中只允许溶液通过,胶体和浊液均不能通过。

这些不溶性的硅酸盐首先在晶粒表面形成一层膜,阻止了金属离子继续与硅酸钠反应。但是形成的这个薄膜具有半透膜的功效,它可以允许水往膜中的晶体中渗透,而其他离子则不能透过去,因而使硅酸钠溶液中的水经半透膜向晶体内渗透。渗透进去的水使晶体溶解,进而使包裹它们的膜膨胀破裂,这样溶解后的金属盐溶液就会流出。流出的盐溶液的表面接触到了硅酸钠后,立刻又与硅酸钠反应生成了不溶性的硅酸盐,又构成半透膜;水又渗透进入,再度破裂,再流出金属盐溶液……。如此这样往复地进行着反应、溶解、破裂……就逐渐地形成了“岩石”。

因此,将金属盐分别放在容器底部的不同位置处,“岩石”就从下往上长,形成了“石笋”;若将金属盐放在容器的顶部(在容器口处放一个有孔的小盖,让水玻璃没过小盖,将金属盐放在小盖上),则“岩石”就会从上往下生长,就形成了“钟乳石”。不断地长高、增长,致使一些遇水溶解较快的可溶性盐,形成的“石笋”和“钟乳石”很快地连接在一起,形成“石柱”生长,结果形成许多线状物。因此在水玻璃溶液中,若加入各种金属盐,可形成各种颜色不同的柱状物,构成美丽的化学溶洞。

资料小卡片

什么叫晶体?

晶体是指一种内部粒子(原子、分子、离子)或粒子基团在空间内按一定规律周期性排列而成的固体。

上面的魔术是利用两种都易溶的物质发生化学反应,生成另一种难溶物。整个反应在溶液环境中进行,观察起来非常方便,而且因为生成的难溶物具有不同的颜色,当我们把几种晶体放入塑料瓶底中,就会有不同颜色的柱状物生成,绚丽多彩,就像自然界溶洞中鬼斧神工的景观一样。你还在等什么,赶快动手试试吧!

魔术的步骤

1.制作塑料瓶底:选一个刚刚能放进烧杯的塑料瓶,在距瓶底2~3cm处剪下,用铁丝在瓶底的沿上扎出三个形成正三角形的洞,并把铁丝的一头固定在塑料小孔中,另一头做成挂钩,用小刀或其他工具在瓶底打孔,孔径约0.2cm,待用。

2.配制5%的磷酸钠溶液放在烧杯中,准备好氯化铁晶体、硫酸镁晶体、氯化铜晶体、明矾晶体。

3.将磷酸钠溶液倒在烧杯内,把塑料瓶底架在烧杯口上,瓶底浸在液体中,将几种晶体放在塑料瓶底中,反应即可进行。




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