关于此实验
在长玻璃管的一端塞入浸有氨水的棉花，另一端塞入浸有浓盐酸的棉花。没有人把气体吹入管中，但几分钟后，管内就会出现一个白色的氯化铵环。这个环并不在中间，而是更靠近氯化氢的一端，因为较轻的氨分子移动得更快，在相同时间内扩散得更远。进行实验，更换气体和玻璃管，并将环的位置与格雷厄姆定律的预测进行比较。
学习目标
- 将扩散描述为粒子从高浓度区域向低浓度区域的净扩散
- 解释为什么环形成的位置更靠近氯化氢一端
- 说明气体粒子的速率与其摩尔质量之间的关系
- 使用格雷厄姆定律预测两种气体相遇的位置
- 解释为什么尽管气体分子运动得非常快，长距离扩散仍然很慢
使用方法
- 1开始默认实验。环会出现在哪里？测量它到两端的距离。
- 2比较环形成前的两条浓度曲线。哪种气体扩散得更远？
- 3将 HCl 换成 HBr。环会向酸端移动还是远离酸端？为什么？
- 4将 NH₃ 换成甲胺。环的位置会如何变化？
- 5将管长减半。环出现所需的时间会如何变化？会缩短一半吗？
- 6将环的位置与虚线所示的格雷厄姆定律预测位置进行比较。
模型
假设
- 每种气体都会沿管在静止空气中扩散。其扩散系数与摩尔质量的平方根成反比；氨的扩散系数为 0.23 cm²/s。
- 棉塞使两端的浓度保持恒定。在发生反应之前，两种气体不会相互妨碍。
- 当两种气体的浓度乘积首次达到固定阈值时，环就会出现。实际形成的环可能偏移几厘米，原因包括空气流动以及塞子浸润的程度。
- 管子处于室温。显示的时间是真实时间；速度按钮只会改变屏幕上时钟的运行速度。
在课堂上试试这个实验
- Q1室温下，气体分子以每秒数百米的速度运动。为什么形成环却需要几分钟？
- Q2利用摩尔质量解释为什么环形成的位置更靠近 HCl 一端。
- Q3使用 NH₃ 和 HCl 在一根长 60 cm 的管子中进行实验，预测环会形成在哪里。
- Q4加热管子会怎样改变环形成所需的时间？
- Q5为什么必须在通风橱中进行这项实验？
常见问题
为什么模拟中环的位置与格雷厄姆定律预测的位置不完全一致？
格雷厄姆定律描述气体通过微小孔洞逸出的现象。在管中，分子会在空气中扩散，其扩散距离随时间的平方根增长。当两种气体的浓度都足以发生反应时，环便会形成在该处。这个位置与格雷厄姆定律的估算结果接近，但并不完全相同。
如何安全地准备并进行实际实验？
在通风橱中操作，佩戴护目镜和手套，并用镊子在同一时刻将浸过药液的棉花放入干燥玻璃管的两端。用塞子封住两端，并让管子保持静止、水平。
为什么管子越长，所需时间就会长这么多？
扩散距离随时间的平方根增长。要到达两倍远的地方，气体需要约四倍的时间，因此将管长增加一倍，环出现所需的时间也会增加到约四倍。