碎瓷片防止液體暴沸初探

劉騰飛

張永強? 高級教師，湖南省十佳科技教師。全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設計大賽、湖南省科學調(diào)查體驗活動評審專家組成員。

高中教材里的許多涉及液體加熱的實驗，都有加入碎瓷片防止暴沸的步驟。日常生活中，人們在煮稀飯時為了防止粥溢出鍋，會在鍋內(nèi)放少量的紅薯塊或南瓜塊，可見化學實驗中的許多做法都源于日常生活。

然而，教材中并沒有解釋為何碎瓷片能防止液體暴沸。由于不清楚碎瓷片防止液體劇烈沸騰的原因，許多同學在實驗操作中常常忘記這個步驟，在考試中遇到此知識點時，往往失分。

碎瓷片為什么能防止液體暴沸？我查找了大量的資料，并未查到令我滿意的答案。在老師的鼓勵和指導下，我在實驗室對此進行了探究。

一、探究目的

依據(jù)液體沸騰的原理、氣泡產(chǎn)生的方式、氣泡運動的路線、氣泡大小的分布等方面，圍繞碎瓷片防止暴沸的機理展開多項實驗，通過對比研究，探明碎瓷片防止暴沸的原因，以及碎瓷片的大小、形狀與防暴沸效果之間的關系。

二、研究內(nèi)容

1.液體為什么會沸騰。

2.氣泡產(chǎn)生的原因，運動的路線如何確定。

3.碎瓷片防止暴沸的機理。

4.碎瓷片防止暴沸的效果與其大小、形狀是否有關。

三、研究過程

（一）液體為什么會暴沸

1.實驗器材

純凈水50 mL、500 mL蒸餾燒瓶、酒精燈、溫度計、500 mL燒杯、鐵架臺。

2.實驗步驟

將50 mL純凈水倒入燒杯加熱，觀察水的溫度變化及暴沸時的現(xiàn)象并記錄。

3.實驗現(xiàn)象

在水溫達到35 ℃時，燒瓶底部開始出現(xiàn)小氣泡，由于容器底部溫度較高，氣泡最先在底部生成，后迅速上升，逐漸增大，在水面漂浮一段時間后破裂。一般情況下，普通水達到98 ℃時就會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，但本次實驗中，純凈水達到98 ℃時未沸騰，溫度反而繼續(xù)上升，在達到100 ℃以上時劇烈沸騰，大氣泡從水面中心快速上升到水面后炸裂，大量水蒸氣從蒸餾燒瓶的支管逸出。

4.實驗結(jié)論

普通水一般達到98 ℃ 沸騰，但純凈水或蒸餾水即使達到沸點也不會沸騰，溫度繼續(xù)上升到104 ℃，直至發(fā)生暴沸。

（二）氣泡的產(chǎn)生以及運動路線

1.實驗現(xiàn)象

氣泡首先在容器底部產(chǎn)生，剛開始體積較小、數(shù)量較少，隨著溫度的升高，體積增大、數(shù)量增多，然后緩慢上升，從底部一直升騰到液面，在液面鼓起一個又一個氣泡，然后破裂，熱氣體分散。

2.實驗結(jié)論

由于容器底部距離熱源最近，溫度最先升高，因此氣泡最先出現(xiàn)在底部，隨著溫度逐漸升高，氣泡越來越多，越來越大。由于氣泡的密度小于液體的密度，氣泡慢慢上浮，一直上升到液面。

在氣泡上升過程中，氣泡位于液體內(nèi)部，承受來自上部液體產(chǎn)生的壓力，離液面越近，氣泡承受的壓力越小，氣泡逐漸變大。氣泡到達液面后，氣泡承受的壓力消失，氣泡內(nèi)部的張力沖破表面的液體層，氣泡破裂消失。

（三）碎瓷片防止暴沸的原因

1.實驗器材

純凈水、溫度計、酒精燈、燒瓶、鐵架臺、碎瓷片。

2.實驗步驟

分別取50 mL純凈水倒入A、B兩個燒瓶，將兩個燒瓶分別置于鐵架臺上，A瓶中加4塊碎瓷片（面積約0.5 cm2），B瓶中不加碎瓷片，其他條件相同且適宜，同時加熱。觀察在相同時間內(nèi)水的溫度變化，分析、比較實驗結(jié)果。

3.實驗現(xiàn)象

A瓶中水溫上升速度稍慢，最終仍能達到沸點，并正常沸騰。B瓶中純凈水達到與A瓶相同的溫度時，并未出現(xiàn)明顯的沸騰現(xiàn)象，在溫度持續(xù)升高之后，突然暴沸。A瓶中氣泡皆從碎瓷片附近上升，有的被壓在碎瓷片下方，無法逸出。

實驗前，我認為碎瓷片防止暴沸是由于它將氣泡壓破，導致大氣泡無法形成，不能在水面炸裂，以至無法暴沸，并且碎瓷片還能延緩溫度上升的速度。但實驗數(shù)據(jù)并不能確切地證明，碎瓷片可以延緩溫度上升，所以我判斷，壓破氣泡只是它防止暴沸的表面原因，并非防止暴沸的真正原理。

通過查閱資料，再結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，我認為，碎瓷片防止暴沸是因為其壓破了氣泡，并釋放自身氣泡，增加了氣化中心。

4.實驗結(jié)論

碎瓷片的棱角將大氣泡“壓碎”成小氣泡，又釋放了自身含有的氣泡，增加了氣化中心，防止液體暴沸。

（四）探究防止暴沸的效果與碎瓷片的大小是否有關

1.實驗器材

純凈水、溫度計、酒精燈、燒瓶、鐵架臺、碎瓷片。

2.實驗步驟

分別取50 mL純凈水倒入A、B兩個燒瓶中，在A燒瓶中加入4塊碎瓷片（每塊面積約為1 cm2），在B燒瓶中加入4塊小碎瓷片（每塊面積約為0.5 cm2），其他條件相同且適宜，同時加熱。記錄兩支溫度計在相同時間內(nèi)的數(shù)值。

3.實驗現(xiàn)象

A燒瓶中水溫上升較慢，且在相同時間內(nèi)上升的幅度小，沸騰時氣泡主要集中在碎瓷片底部。將水溫冷卻至90℃后再次加熱，發(fā)現(xiàn)有大氣泡直接在碎瓷片底部破裂，甚至將碎瓷片頂起。

4.實驗結(jié)論

碎瓷片防止暴沸的效果與其大小有關，碎瓷片越大，效果越好。

四、實驗結(jié)論

液體在被加熱時，由于缺少氣化中心而暴沸，如果加入碎瓷片，碎瓷片能將大氣泡切割成小氣泡，增加了氣化中心。同時，碎瓷片在加熱過程中，其自身溫度也在升高，碎瓷片自身相當于一個熱源，會形成許多微孔，其中眾多微孔在臨界沸騰的液體中也會形成氣化中心，使液體均勻沸騰，起到防止暴沸的作用。（指導老師： 張倩倩? 尚少莎）

專家點評

本項目研究源于作者對教材原有實驗的延伸，作者善于發(fā)現(xiàn)問題，并試圖通過設計實驗去驗證自己的假設，嘗試解釋實驗現(xiàn)象，實驗所使用的對比實驗方法可行，實驗數(shù)據(jù)可信。

建議將實驗器材的型號標記清晰，實驗分析時，若改用線型圖進行對比分析會更加直觀。此外，實驗解釋還需要有更充分的事實和理論依據(jù)。

本文中，碎瓷片能防止暴沸的原因，正是作者在結(jié)論中所描述的碎瓷片中有眾多的微孔。