關於此實驗
在長玻璃管的一端塞入浸有氨水的棉花，另一端塞入浸有濃鹽酸的棉花。沒有人把氣體吹入管中，但幾分鐘後，管內就會出現一個白色的氯化銨環。這個環並不在中間，而是更靠近氯化氫的一端，因為較輕的氨分子移動得更快，在相同時間內擴散得更遠。進行實驗，更換氣體和玻璃管，並將環的位置與格雷厄姆定律的預測進行比較。
學習目標
- 將擴散描述為粒子從高濃度區域向低濃度區域的淨擴散
- 解釋為什麼環形成的位置更靠近氯化氫一端
- 說明氣體粒子的速率與其莫耳質量之間的關係
- 使用格雷厄姆定律預測兩種氣體相遇的位置
- 解釋為什麼儘管氣體分子運動得非常快，長距離擴散仍然很慢
使用方法
- 1開始預設實驗。環會出現在哪裡？測量它到兩端的距離。
- 2比較環形成前的兩條濃度曲線。哪種氣體擴散得更遠？
- 3將 HCl 換成 HBr。環會向酸端移動還是遠離酸端？為什麼？
- 4將 NH₃ 換成甲胺。環的位置會如何變化？
- 5將管長減半。環出現所需的時間會如何變化？會縮短一半嗎？
- 6將環的位置與虛線所示的格雷厄姆定律預測位置進行比較。
模型
假設
- 每種氣體都會沿管在靜止空氣中擴散。其擴散係數與莫耳質量的平方根成反比；氨的擴散係數為 0.23 cm²/s。
- 棉塞使兩端的濃度保持恆定。在發生反應之前，兩種氣體不會互相妨礙。
- 當兩種氣體的濃度乘積首次達到固定閾值時，環就會出現。實際形成的環可能偏移幾公分，原因包括空氣流動以及塞子浸潤的程度。
- 管子處於室溫。顯示的時間是真實時間；速度按鈕只會改變螢幕上時鐘的運行速度。
在課堂上試試這個實驗
- Q1室溫下，氣體分子以每秒數百公尺的速度移動。為什麼形成環卻需要幾分鐘？
- Q2利用莫耳質量說明為什麼環形成的位置更靠近 HCl 端。
- Q3使用 NH₃ 和 HCl 在一根長 60 cm 的管子中進行實驗，預測環會形成在哪裡。
- Q4加熱管子會如何改變環形成所需的時間？
- Q5為什麼必須在化學排煙櫃中進行這項實驗？
常見問題
為什麼模擬中環的位置與格雷厄姆定律預測的位置並不完全一致？
格雷厄姆定律描述氣體通過微小孔洞逸出的現象。在管中，分子會在空氣中擴散，其擴散距離隨時間的平方根增長。當兩種氣體的濃度都足以發生反應時，環便會形成在該處。這個位置與格雷厄姆定律的估算結果接近，但並不完全相同。
如何安全地準備並進行實際實驗？
在化學排煙櫃中操作，佩戴護目鏡和手套，並用鑷子在同一時間將浸過藥液的棉花放入乾燥玻璃管的兩端。用塞子封住兩端，並讓管子保持靜止、水平。
為什麼管子越長，所需時間就會長這麼多？
擴散距離隨時間的平方根增長。要到達兩倍遠的地方，氣體需要約四倍的時間，因此將管長增加一倍，環出現所需的時間也會增加到約四倍。