模拟溶洞的形成实验

溶洞的形成实验报告摘要本实验通过模拟地下水与岩石的相互作用，探究溶洞形成的过程。

实验结果表明，溶洞的形成与地下水的溶蚀作用密切相关，同时地下岩石的溶解能力也对溶洞的形成起到了重要作用。

引言溶洞是地下水通过物理和化学作用发生溶解、侵蚀岩石而形成的洞穴，广泛分布于地质构造复杂的地区。

溶洞具有独特的地质景观和地质价值，对地下水资源和地下水文系统具有重要影响。

为了深入了解溶洞的形成机理，我们进行了本次实验。

实验方法1. 实验材料：包括岩石样本、矿物溶液、洞穴模型等。

2. 实验步骤：- 将岩石样本放入洞穴模型中。

- 用矿物溶液慢慢浸泡岩石，模拟地下水与岩石的相互作用。

- 观察岩石溶解的情况，并记录实验时间。

- 完成实验后，对洞穴模型进行观察和分析。

实验结果在溶洞模型中进行实验后，我们观察到以下现象：1. 随着时间的推移，岩石表面出现了明显的溶解痕迹，表面变得不平整。

2. 洞穴模型内部的岩石受到了较为严重的溶解，出现了较大的洞穴空间。

3. 在洞穴模型下部，出现了地下水经过岩石溶解后形成的下水道。

实验分析根据实验结果，我们可以得出以下结论：1. 溶洞的形成与地下水的溶蚀作用密切相关。

地下水中溶解的二氧化碳使水具有一定的酸性，进而溶解了岩石中的溶解性矿物质，形成了溶洞。

2. 地下岩石的溶解能力也对溶洞的形成起到了重要作用。

不同类型的岩石具有不同的溶解性，对地下水的溶解作用程度也不同，从而导致溶洞的大小和形状的差异。

结论通过本次实验，我们深入了解了溶洞形成的机理。

地下水的溶蚀作用以及地下岩石的溶解能力是溶洞形成的重要因素。

溶洞是地下水文系统中的重要组成部分，对地下水资源的形成和分布具有重要影响。

进一步研究溶洞形成机理，对于地下水资源的合理利用和保护具有重要意义。

模拟溶洞的“形成”实验镇江某中学学习小组考察过溶洞后，为溶洞中形态各异的石笋和钟乳石而惊叹，决定设计和实施简单的实验——模拟溶洞的“形成”。

从教材上查得如下资料：[溶洞都分布在石灰岩组成的山地中，石灰岩的主要成分是碳酸钙，当遇到溶有二氧化碳的水时，会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙：CaCO 3+CO 2+H 2O ＝Ca(HCO 3)2溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙就会分解，重新生成碳酸钙沉积下来，同时放出二氧化碳：Ca(HCO 3)2＝CaCO 3 + CO 2↑+H 2O洞顶的水在慢慢向下渗透时，水中的碳酸氢钙发生上述反应，有的沉积在洞顶，有的沉积在洞底，洞顶的形成钟乳石，洞底的形成石笋，当钟乳石与石笋相连时就形成石柱](1)他们设计并完成了模拟溶洞“形成”的实验。

其实验过程如左下图，试回答： 实现转化①需要通人足量的气体A ，A 的化学式是 ____▲ ；B 溶液中溶质（被水溶解的物质）的化学式是 ▲ ；实现转化②，通常采用的基本操作方法是 _____ ▲_________ 。

(2)甲、乙两个化学兴趣小组的同学为测定某地石灰石的质量分数（杂质不参与反应），分别设计方案并进行实验。

甲组：（1）实验：取石灰石样品10.00g ，高温煅烧至质量不再改变后，把剩余固体放在密闭、干燥的容器中冷却至室温，称量所得固体的质量为6.04g 。

(3)计算：设石灰石中碳酸钙的质量为xCaCO 3 CaO+CO 2↑10056x 6.04g以上解法得出碳酸钙的质量分数超过100%，造成计算结果错误的原因是 __ ▲ __ 。

请你写出正确的计算过程。

解:乙组：也取原石灰石样品10.00g ，按右图所示装置（气密性完好）进行实验，测得完全反应后装置C 中氢氧化钙溶液增重了3.90g 。

由此计算出石灰石中碳酸钙的质量分数要比甲组 ____▲___ （填高或低或相同），高温 足量的饱和 氢氧化钙溶液造成该结果的原因可能是▲____ 。

题目奇妙的化学“溶洞”原料磷酸三钠（晶体）、三氯化铁（晶体）、氯化铜（晶体）、胆矾（晶体）、明矾（晶体）、硫酸镁（晶体）、蒸馏水等。

仪器设备标本瓶或一次性透明水杯或烧杯、EPE 珍珠棉泡沫、粗铜丝、塑料吸管、美工刀、直尺、胶水、牙签、镊子、塑料烧杯（1000mL）、玻璃棒、药匙等。

原理采用“水中花园”的形成过程原理。

5%磷酸三钠溶液能与多种晶体盐表面形成具有半透膜性质的难溶盐，将晶体放在瓶中生长液的顶端，在重力的作用下使晶体表面的难溶盐从上往下生长。

操作步骤1、将配制好的5%磷酸三钠溶液倒入标本瓶内静置，备用。

2、将固定有晶体的支架，轻轻放在步骤1 标本瓶的液面上方，观察奇妙的实验现象。

注：晶体固定方式多种，仪器为：标本瓶、烧杯、一次性透明塑料水杯等。

实验现象描述晶体盐与5%磷酸三钠溶液接触，晶体表面溶解液与磷酸三钠溶液反应生成的难溶盐，沉积在晶体表面成为倒挂的钟乳石、“顶天立地”的“石柱”、“石笋”。

几分钟能观察到奇妙无比的实验现象。

1、三氯化铁晶体在5%磷酸三钠溶液中的生长过程照片：2、三氯化铁晶体、明矾晶体、氯化铜和硫酸镁混合晶体，在5%磷酸三钠溶液中的生长过程照片实验结果选用多种晶体盐在不同磷酸三钠溶液中进行生长快慢探究，最后确定磷酸三钠溶液的最佳浓度为5% 左右。

本实验方案提供了多种实验装置供大家选用，让师生有更多的机会体验钟乳石、石柱和石笋的形成过程。

注意事项及其他1、实验装置设计巧妙，实验现象千姿百态，有利于激发中小学学生学习化学的兴趣，让学生更加热爱化学，热爱大自然。

2、“石头”悬挂在生长液的顶部，有的只需几秒钟就能长出五彩缤纷的‘钟乳石’，几分钟就能形成“顶天立地”的“石柱”，‘石头’的生长速度极其迅速。

3、此实验既安全又简单, 实验材料很容易找到, 并且节约试剂, 降低了实验成本。

4、该实验设计具有可操作性和重复性，绿色环保和节约资源。

5、可批量生产教师演示用（大型装置）和学生科学探究用（微型装置）的两种教具，还可批量生产多种一定规格大小的晶体盐，具有推广价值。

实验一：化学溶洞
一、操作流程：
准备器材：十二水合磷酸三钠晶体、氯化铁晶体、硫酸镁晶体、氯化铜晶体、明矾晶体、药匙若干、2500mL烧杯、过滤网（塑料更佳）、托盘天平（含砝码）实验步骤：
1、向烧杯中倒入约2000mL的纯净水，用托盘天平称取262g的磷酸钠晶体（含12个结晶水），完全溶解于2000mL水中，即配得5%磷酸钠溶液
2、将过滤网放入烧杯中，浸没于5%磷酸钠溶液中；
3、依次用药匙将氯化铁晶体、硫酸镁晶体、氯化铜晶体、明矾晶体放在过滤网上，使晶体能完全被磷酸钠溶液浸没。

（氯化铁晶体）（硫酸镁晶体）
（氯化铜晶体）（明矾晶体）
4、将以上四种晶体研磨混合，用药匙取混合粉末置于过滤网上。

5、静置，等待溶洞形成。

二、注意事项：
1、磷酸钠晶体的质量：水的体积=52.4g：400mL，即可配得5%磷酸钠溶液（这里的磷酸钠含12个结晶水）；如果容器变大，则按比例适当增量。

2、过滤网应能刚好卡在烧杯中，最好使用塑料材质，边缘可用铁丝加以固定。

3、实验过程中，烧杯要绝对静置，尽量防震。

三、科学原理：
磷酸钠溶液能与某些晶体发生化学反应，生成颜色各异的难溶物，由于重力的作用，使这些难溶物自上而下在磷酸钠溶液中生长。

四、物资购买及参考价位：
1、物资购买地址：①所在地化学试剂及化学仪器专卖店
②网购
2、参考价位：
①十二水合磷酸三钠晶体：500g/30元
②氯化铁晶体：500g/10-12元
③硫酸镁晶体：500g/10-12元
④氯化铜晶体：500g/50元
⑤明矾晶体：500g/10-12元。

趣味化学实验1. 五彩溶洞试剂：5%的磷酸三钠溶液，氯化铜、氯化钴、氯化镍、氯化铁等晶体难溶盐仪器：纱窗网2个，大烧杯2个，药匙2把5%磷酸三钠溶液能与多种晶体盐表面形成具有半透膜性质的难溶盐，将晶体放在瓶中生长液的顶端，在重力的作用下使晶体表面的难溶盐从上往下长。

实验步骤：（1）配置好5%磷酸三钠溶液，将溶液倒入烧杯中；（2）将纱窗网固定在烧杯上并且没过溶液，将晶体放在纱窗网上，晶体开始往下长，类似溶洞景观，成为倒挂的钟乳石、“顶天立地”的石柱、石笋等。

2. 神奇的杯子倒水实验实验原理：20毫升硅酸钠热饱和溶液装在透明杯子1内，不透明纸制杯子2内预先加好刚配好的(10毫升浓硫酸:5毫升水) 硫酸溶液5毫升，酚酞5滴左右，将杯子1内溶液向杯子2倒，稍加搅拌2~3 秒即可形成固体“果冻”状硅胶，在不透明纸质杯子2内凝固不动，杯子倒置也不会掉下来，向杯子2中加入一药匙氢氧化钠固体，与硅酸反应硅胶部分消失，重新变成硅酸钠溶液，且遇酚酞变红色，向不透明纸制杯子3倒可看见红色有沉淀的溶液25毫升左右，在纸制不透明杯子3中预先加入前面配的浓度稍大的硫酸10毫升，酸性环境使酚酞红色消失，酸的量有一个点可以在杯子3中再次形成“果冻”状硅胶，但该点较难寻找，其他情况杯子3内溶液都会变成无色有沉淀的液体，再倒向杯子1。

原料：蒸馏水，硅酸钠固体，酚酞溶液，硫酸，氢氧化钠固体，10毫升浓硫酸:5毫升水配成的硫酸溶液。

仪器设备：透明玻璃1杯，不透明纸质杯子2个，玻棒1个，100毫升烧杯1个. 三脚架，石棉网，酒精灯，打火机，25毫升量筒1个，药匙2 个。

操作步骤1). 在100毫升烧杯内倒入热蒸馏水50毫升在石棉网上加热, 倒入硅酸钠固体配成饱和溶液，加热到接近沸腾，取20毫升倒入透明杯子1内。

2). 在不透明纸制杯子2内加入5毫升(新制10 毫升浓硫酸:5毫升水配制) 硫酸溶液, 酚酞5滴左右。

不透明纸制杯子3内加入10毫升(10毫升浓硫酸:5毫升水配制) 硫酸溶液。

初中化学重点溶洞的“形成”实验 初中化学模拟溶洞的〝形成〞实验镇江某中学学习小组考察过溶洞后，为溶洞中形态各异的石笋和钟乳石而惊叹，决定设计和实施简单的实验——模拟溶洞的〝形成〞。

从教材上查得如下资料：[溶洞都分布在石灰岩组成的山地中，石灰岩的主要成分是碳酸钙，当遇到溶有二氧化碳的水时，会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙：CaCO3+CO2+H2O＝Ca(HCO3)2溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙就会分解，重新生成碳酸钙沉积下来，同时放出二氧化碳：Ca(HCO3)2＝CaCO3 + CO2↑+H2O洞顶的水在慢慢向下渗透时，水中的碳酸氢钙发生上述反应，有的沉积在洞顶，有的沉积在洞底，洞顶的形成钟乳石，洞底的形成石笋，当钟乳石与石笋相连时就形成石柱](1)他们设计并完成了模拟溶洞〝形成〞的实验。

其实验过程如左以下图，试回答：实现转化①需要通人足量的气体A，A的化学式是____▲；B溶液中溶质〔被水溶解的物质〕的化学式是▲；实现转化②，通常采用的基本操作方法是_____ ▲_________。

(2)甲、乙两个化学兴趣小组的同学为测定某地石灰石的质量分数〔杂质不参与反应〕，分别设计方案并进行实验。

1〕实验：取石灰石样品10.00g，高温煅烧至质量不再改变后，把剩余固体放在密闭、干燥的容器中冷却至室温，称量所得固体的质量为6.04g。

(3)计算：设石灰石中碳酸钙的质量为xCaCO3CaO+CO2↑100 56x 6.04g以上解法得出碳酸钙的质量分数超过100%，造成计算结果错误的原因是__ ▲ __。

请你写出正确的计算过程。

解:乙组：也取原石灰石样品10.00g，按右图所示足量的饱和氢氧化钙溶液装置〔气密性完好〕进行实验，测得完全反应后装置C中氢氧化钙溶液增重了3.90g。

由此计算出石灰石中碳酸钙的质量分数要比甲组____▲___〔填高或低或相同〕，造成该结果的原因可能是▲____。

溶洞的形成初中化学教案
目标：了解溶洞的形成原因，在实践中观察溶洞形成的过程。

材料：白醋、小砂糖、碗、眼镜。

引言：今天我们要学习溶洞的形成原因。

溶洞是地下水在溶解石灰岩或石膏等溶岩岩石时形成的。

通过盐酸和白醋实验，我们可以模拟这一过程。

实验步骤：
1. 将一定量的白醋倒入碗中。

2. 加入适量的小砂糖，搅拌均匀。

3. 将碗放置一段时间，观察小砂糖逐渐消失的情况。

结果与讨论：经过实验，我们可以看到小砂糖逐渐消失，这是因为白醋中的醋酸与砂糖中的糖分发生化学反应，溶解了砂糖。

在地壳中，地下水中的二氧化碳和溶解了的物质会与溶解的石灰岩或石膏发生反应，形成溶洞。

总结：通过这个实验，我们了解了溶洞形成的原因。

再次强调地下水对石灰岩等溶岩岩石的溶解作用，帮助学生加深对这一地质现象的认识。

延伸实践：可以组织学生在户外进行采石灰岩或石膏的溶解实验，观察溶洞形成的过程，并做实地考察，深化对溶洞形成原因的理解。

结束语：通过这次实验，希望大家能更深入地了解溶洞的形成原因，并在实践中观察和探索地质奇观的形成过程。

愿大家在探索自然的过程中获得乐趣和收获！。

DIY流光溢彩的“溶洞”作者：曹雨晴来源：《发明与创新（中学生）》 2021年第9期山东省青岛职业技术学院2020级环境监测与控制技术专业曹雨晴溶洞是喀斯特地貌中的地下空间，是由石灰岩中难溶性的碳酸钙在水和二氧化碳长期作用下转换成的可溶性的碳酸氢钙，可溶性的碳酸氢钙受热分解成难溶的碳酸钙。

作为大自然的鬼斧神工之作，溶洞美丽又神奇，特别是在灯光的照射下流光溢彩，让人流连忘返。

但它们的形成速度太慢，人们难以观察其形成过程。

不过，在实验室，我们可以利用化学方法，快速动手制作一个美丽的“化学溶洞”。

一、实验用品磷酸三钠溶液（质量分数5%~10%），氯化铜、三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸镁、硫酸铝钾、硫酸锌等晶体。

透明玻璃容器（如鱼缸）、厚度在10毫米以下的塑料泡沫板、穿孔器（可以用尖锐的中性笔尖或小刀代替）。

二、制作过程1.根据容器大小将塑料泡沫板裁剪成稍小于透明玻璃容器内径的形状，并在上面戳若干个小孔，如图1。

2.将磷酸三钠溶液倒入容器后静置，再将穿好孔的塑料泡沫板置于磷酸三钠溶液的上方。

3.分别取5g左右的氯化铜、三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸镁、硫酸铝钾、硫酸锌等晶体置于塑料泡沫板上。

4.在重力的作用下，遇到磷酸三钠溶液的晶体慢慢下落，在这一过程中形成色彩鲜艳的难溶盐，宛若钟乳石和石笋。

若在容器一侧打开灯光观看，效果更佳。

三、实验原理以磷酸三钠与硫酸铜为例，其反应方程式为2Na3PO4+3CuSO4=Cu3(PO4)2↓+3Na2SO4。

生成的Cu3(PO4)2为难溶的半透膜结构，该半透膜允许水分子往晶体表面渗透，渗入的水再溶解晶体盐，溶解液在重力的作用下流向生长点，又与磷酸三钠反应生成新的半透膜。

这一过程不断重复，晶体盐在磷酸三钠溶液中形成五光十色的钟乳石、石柱和石笋，宛如自然界的奇观——溶洞。

四、注意事项1.若没有磷酸三钠溶液，可用磷酸和氢氧化钠反应配制。

2.上述反应半小时左右就能形成溶洞，注意在这一过程中容器要保持静止。

趣味实验之化学溶洞
溶洞的形成原理：
石灰岩的主要成分是CaCO3。

CaCO3与空气中CO2或地下水中溶解的部分CO2发生反应CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）生成Ca（HCO3）2
Ca（HCO
3）
2
是可以溶于水的物质，在随水流动的过程中，在受热或自然状态下
可发生反应Ca（HCO3）2=CaCO3+CO2+H2O 所以就又形成新形状的石灰岩了，也就形成了溶洞、石钟乳、石笋和石柱等各种自然奇观了。

现在我们在化学实验室模拟化学溶洞的形成。

实验过程设计如下：
1、取磷酸钠配成5%的溶液，取一塑料壳打孔制成支架。

将支架放入磷酸钠溶
液中。

2、分别取明矾、硫酸铜、氯化铁和硫酸镁晶体放入其中。

原理：磷酸钠提供的磷酸根离子与氯化铁等提供的阳离子结合为难溶物，难溶物在重力的作用下向下运动形成钟乳石。

震荡反应
化学振荡是指反应体系中产物或中间体的某些状态量（如物质浓度）随时间、空间的变化而发生周期性变化的现象。

原理：
2KIO3＋5H2O2＋H2SO4＝I2＋K2SO4＋6H2O＋5O2↑
I2＋5H2O2＋K2SO4＝2KIO3＋4H2O＋H2SO4
实验过程：
1、配制三种溶液
A．100ml30％的双氧水溶液稀释至250ml
B．10.7gKIO3放入烧杯中，加80mi水加热使其溶解，冷却后加10ml 2mol ／l的硫酸，稀释至250ml
C．取0.1g淀粉溶于少量沸水并加4g丙二酸和1g硫酸锰搅拌，使其溶解，冷却后稀释至250ml
2、用三支量筒分别量取A、B、C各50ml，同时加入至洁净的250ml烧杯，用玻璃棒略搅拌后静置。