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科学就在身边 发布于:2021/08/14
    一、问题缘起
  一天晚上查寝时,我们发现了一个有意思的现象。在男生寝室门口经常被水滴冲击的水泥台阶处出现了隆起,而且还有变大的趋势。俗话说“水滴石穿”,而这里的石头不仅没有被滴穿,反而变大了,这是为什么?
  为一探究竟,第二天我们再次来到现场进行了勘察。
  二、探究过程
  由于调查前一天下过雨,楼上平台处仍有积水不停滴落,在水滴落的地方形成了一个凸起。用手触摸,发现凸起质地较硬,表面清晰可见很多小坑。
  为了证明这并非个别现象,我们又观察了平台其他漏水处的下方,也发现了同样的 “小山”。经过现场勘察,我们确定,水滴源于自然降水,而不是空调水等其他水。各处的凸起大小不同,可能与水滴大小、滴落的时长有很大的关系。
  除了在水泥地面,我们在瓷砖铺设的地面上也发现了凸起。这说明“小山”的形成与地面的材质没有多大关系,而是与滴落的水有关系。
  然而,每逢下雨,学校足球场主席台后侧的雨棚水滴的下落流速和流量都非常大,为什么没有形成类似的“小山”?
  对此,我们大胆猜测,凸起的形成与自然界中钟乳石的形成原因类似,在平台漏水处应有自上而下生长的“钟乳石”。实地观察后,结果证实果然如此。为什么会这样?
  三、现象原理
  (一)水滴石穿
  水从高处滴落的过程中不斷加速,产生的冲击力不断磨损石头,如同用锤子不停地锤打铁板一样。这一过程只是石头的形状发生了变化,没有新的物质生成,所以是一种物理变化。
  由于石头的种类不同,那些含有碳酸钙的石头(如石灰石),它们发生水滴石穿的现象还有另一种原因:空气中的二氧化碳溶于水后会生成碳酸,所以水滴实际上是具有弱酸性的碳酸溶液,当水滴落在石灰石、大理石这一类石块上时,其中的碳酸就会与石块中的主要成分(碳酸钙)发生化学反应,生成能溶于水的碳酸氢钙,使石块局部缓慢溶解并流失。
  (二)钟乳石的形成
  溶洞中钟乳石的一系列变化来源于其主要成分——碳酸钙的一系列变化。当碳酸钙遇到溶有二氧化碳的水时就会变成可溶性的碳酸氢钙,其化学反应式为:CaCO3+CO2+H2O==Ca(HCO3)2。溶有碳酸氢钙的水如果受热或遇到压强突然变小的情况时,水中的碳酸氢钙就会分解,重新变成碳酸钙沉积下来,并放出二氧化碳,其化学反应式为:Ca(HCO3)2==CaCO3↓+CO2↑+H2O 。碳酸钙不断在两种反应中分解又析出,就形成了溶洞中各种各样的钟乳石。
  我们发现,所有漏水处都有一个共同特征,即都存在用白灰补漏的痕迹。例如,“小山”形成最明显处的正上方(如图2),白灰的用量非常多。用白灰抹墙的主要原理是,白灰加水生成的熟石灰(氢氧化钙)与二氧化碳反应生成碳酸钙,使墙面变硬。
  具有弱酸性的雨水长时间与墙面接触,其中的碳酸就会与墙面的主要成分(碳酸钙)发生化学反应,生成能溶于水的碳酸氢钙,使含有碳酸钙的墙面局部缓慢溶解并流失。当溶有碳酸氢钙的水从平台滴落在地面上时,由于水分蒸发或压强减小以及温度的降低,二氧化碳的溶解度会减小,从而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过长年累积,渐渐形成了类似钟乳石的凸起,于是就有了我们看到的现象。
  四、教学启示
  好奇、追问是一种独特的品质,别人眼中的习以为常,在有的人看来可能就“暗藏玄机”。作为教师,我们要争做激发学生好奇心的那个人。我们讲授书本上的相关知识时,如果能让学生少一些机械记忆,多一些实践探究,那么学习会更有乐趣。作者:刘松 袁由均 来源:发明与创新·中学生
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