现在你看到了,现在你没有!酸性水域如何使岩石消失

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 4 - >
所需时间 长(2-4周)
先决条件
材料可用性 这个科学项目需要小石灰石岩石。有关详细信息,请参阅材料和设备列表.注意:执行此科学项目所需的时间包括运输时间。
费用 平均值($ 50 – $ 100)
安全 没有问题

摘要

如果你曾经准备过一杯加糖的咖啡或茶,你可能已经看到糖的颗粒很快溶解并在热水中完全消失。但糖并不是唯一能够容易溶解在液体中的固体。事实上,有些类型的岩石可以被普通液体溶解。可能很难想象一些普通的液体会吞噬掉大而坚硬的岩石,对吧?但它实际上一直都在发生!在这个地质科学项目中,您将研究一种类型的岩石 – 特定的石灰石 – 如何通过酸性水溶解。溶解石灰石需要多少酸?岩石溶解的速度有多快?准备好在这个科学项目中尝试一些 geochemistry 来找出答案!

目的

研究酸性水如何溶解石灰石岩石。

积分

Teisha Rowland,博士,科学伙伴

引用本页

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科学伙伴。”现在你看到它了,现在你没有看到!酸性水域如何让岩石消失。” 科学伙伴,2017年11月6日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Geo_p047/geology/how-acidic-waters-make-rocks-disappear。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2017年11月6日)。现在你看到了,现在你没有!酸性水会如何使岩石消失。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Geo_p047/geology/how-acidic-waters-make-rocks-disappear


最后编辑日期:2017-11-06

简介

为什么某些物质会溶解或消失在液体中,而其他物质则不能?它与物质的溶解度有关。术语溶解度是指物质被其他物质溶解的程度。溶解度取决于物质的化学成分。就像其他一切一样,岩石是由化学物质制成的,并且具有某些化学成分,这会影响它们的溶解度。岩石化学的研究称为地球化学

有三种基本类型的岩石:火成岩沉积岩变质岩。该项目重点关注沉积岩.沉积岩由岩石,矿物质和有机物质(如死亡动物,落叶,粪便等)的颗粒组成,它们在地球上聚集并被压实在一起表面随着时间的推移,有时形成不同的层例如,参见图1中的沉积岩层。

Zabriskie Point死亡谷国家公园的沉积岩层图片。
图1. 该图的上半部分显示了死亡谷国家公园Zabriskie Point山上的沉积岩层。

某些类型的沉积岩可与酸发生化学反应.是具有小于7的 pH 的物质,例如柠檬汁或电池酸. pH 是衡量酸性基本的量级的量表。碱的pH值大于7,例如小苏打或漂白剂,而中性物质的pH值为7,例如饮用水。有关复习的信息,请参阅 Acids,Bases,&amp; Sons上的Science Buddies页面.pH值。与酸反应的沉积岩类型包含碳酸盐化合物。例如,这些岩石中最常见的是石灰石,其由碳酸钙(CaCO 3 )制成。如公式1所示,当碳酸钙暴露于酸时(使用硫酸证明,H 2 SO 4 ,这是酸雨中的主要酸),碳酸盐化合物(CO 3 2 – )反应生成二氧化碳(CO 2 )气体和水(H <子> 2 O)。

等式1。

当石灰石岩石被酸性水溶解时,它可以在景观中形成有趣的特征,这些地层统称为喀斯特地貌。最常见且易于识别的可能是 sinkholes . Sinkholes 是地面上的洞或凹陷,通常是由于覆盖的表面向内坍塌造成的(想象一个洞穴的顶部坍塌)。阿拉伯阿曼州的一个污水坑如图2所示。

阿曼阿拉伯国家Bimmah Sinkhole污水坑的图片。
图2. 这是阿曼阿拉伯国家的Bimmah下沉洞。

Sinkholes可能需要很多年才能形成(可能数千年或数百万年),或者可能会突然形成。实际上,可以快速制造一个下沉孔,以便迅速摧毁道路或建筑物;要了解这是如何发生的,请观看下面的水槽上的视频。如视频中所示,下沉孔的大小也会有很大差异。通常,酸性地下水是罪魁祸首;它可以溶解一层石灰石岩石中的支撑性碳酸钙,它会在侵蚀过程中被冲走。当支撑性石灰岩层消失时,其上方的地面会下落,形成一个洞。

TIME用这个视频解释了落水洞背后的科学。

地下水的pH通常约为5.6,如果低于此值则认为是酸性地下水。酸性地下水有几个潜在的原因。例如,如果地下水被酸雨污染,可以产生酸性地下水,酸雨的pH值约为4.0。如果存在可以与之反应的大量铁,则地下水也可以变为酸性。增加大气二氧化碳水平也可能导致水的酸化。如果酸性地下水与碳酸盐(如石灰石中的碳酸钙)接触,这有助于中和地下水。

在这个地质科学项目中,您将研究酸性水如何溶解石灰岩。你可以通过在酸性溶液中浸泡几块石灰石岩石并随时间测量岩石的质量来做到这一点。您将使用含有醋酸的醋制作酸性溶液,并且是一种pH值约为2的普通酸。您将制造的某些酸性溶液比酸性地下水通常更酸;这样你就可以更快地看到结果,并且不会花费数年时间来完成你的科学项目!您还将研究溶液的pH值如何随时间变化。你认为它们会变得更酸或更碱性吗?准备做一些地球化学找出来!

术语和概念

  • 溶解度
  • 化学成分
  • 地球化学
  • 沉积岩
  • pH值
  • 石灰石
  • 碳酸钙
  • 酸雨
  • 喀斯特地貌
  • 天坑
  • 侵蚀
  • 酸性地下水

问题

  • 三种基本不同类型的岩石是什么?他们有什么不同?
  • 石灰石与酸反应时会产生什么?
  • 喀斯特地形包括沉孔,但石灰石溶解可以产生哪些其他特征?
  • 当石灰石溶解在酸性溶液中时,您认为如何影响酸性溶液的pH值?

参考书目

要了解有关三种基本类型岩石的更多信息,请查看此网页:

要了解有关酸雨和水酸化的更多信息,请访问以下网页:

您可以在此观看有关下沉洞的精彩视频:

材料和设备

这些物品可以从 Carolina Biological Supply Company ,科学伙伴批准的供应商:

  • 石灰石岩石(16)。每块岩石应少于50克。
  • 比例,精确到0.1克
  • 清洁玻璃瓶(17)。罐子应该比岩石宽,至少比岩石高2-3厘米,并且至少容纳200毫升。大约15盎司的罐子应该可以很好地适应这种情况。盖子不是必需的。符合这些标准的罐子可以从Carolina Biological Supply Company获得12包装。
  • 量筒,100 mL
  • pH试纸或pH试纸,范围至少为pH 1-6(至少80个试纸或一卷试纸)

您还需要收集这些项目:

  • 粘滞便笺(16)或小纸片和胶带
  • 白醋,蒸馏水或不蒸馏水(至少1.4升)。这在大多数杂货店都有。
  • 蒸馏水(至少2升)。这可以在大多数杂货店购买。
  • 可选:相机
  • 一次性手套。可以在当地的药店或药房购买,也可以通过在线供应商购买 Carolina Biological Supply Company 。如果您对乳胶过敏,请使用乙烯基或聚乙烯手套。
  • Rags(2)。一个应该是柔软的,没有破碎或撕裂的边缘,当干燥岩石时可以捕获。另一个应该足够大,可以将所有16个岩石放在上面,间隔开来。
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

测试岩石

  1. 在您的实验室笔记本中,创建一个类似于表1,的数据表,如表2所示的第二个数据表。您将在这些数据表中记录结果和观察结果。

pH测量
Jar Number 测试解决方案 第0天 第1天 第2天 第3天 第4天
1 仅限水
2
3
4
5 25%醋
6
7
8
9 50%醋
10
11
12
13 100%醋
14
15
16
表1。在您的实验室笔记本中,制作一个这样的数据表,记录不同容器中溶液的pH值。

质量测量值(单位为克[g])
Rock Number 测试解决方案 第0天 第1天 第2天 第3天 第4天
1 仅限水
2
3
4
5 25%醋
6
7
8
9 50%醋
10
11
12
13 100%醋
14
15
16
表2。在您的实验室笔记本中,制作第二个数据表,以记录岩石随时间的质量。

  1. 根据它们的大小将16块石灰石岩石分成四组。具体来说,一组应该有四个最大的岩石,一组应该有四个次大的岩石,一组应该有接下来的四个最大的岩石,一组应该有四个最小的岩石.注意:使用比例来帮助您按照这种方式对岩石进行分组.
  2. 将岩石重新排列为四个新组,其中每个新组都有一个来自每个当前组的岩石。
    1. 换句话说,每个新组都应该有两块中间尺寸的大岩石,小岩石和岩石,如图3所示。
    2. 一旦你制作了四个新组,暂时将它们放在一边。您将在步骤7中使用它们。
四块石灰岩的图片,大小不一。
图3. 重新排列您在步骤2中制作的岩石组,以便每个组现在都有一个来自每个原始组的岩石(换句话说,一个大岩石,一个小岩石) ,和两个中型岩石),如图所示。
  1. 现在取出16个玻璃罐,并将它们标记为1-16。
    1. 您可以使用便签,附带胶带的小纸片或永久性标记来完成此操作。
  2. 使用100 mL量筒使用以下方法用200毫升(mL)的测试溶液填充每个罐子:
    1. 每罐加入200毫升蒸馏水。这些将是您的仅水控件
    2. 每罐加入50毫升100%醋和150毫升蒸馏水。这将使25%的醋溶液。
    3. 每罐加入100毫升100%醋和100毫升蒸馏水。这将使50%的醋溶液。
    4. 每罐加入200毫升100%的醋。
    5. 注意: 200毫升应该是足够的解决方案,以完全覆盖罐子里的一块岩石,然后在岩石上面至少有2-3厘米(cm)的溶液。
      1. 要检查这个,请在任何罐子里放一块石头,但在罐子旁边放一块石头,看看有多少解决方案可能会覆盖它,如图4.
      2. 如果看起来罐子中需要更多溶液,那么添加一些,确保每个罐子中的溶液总量相同(并且只将相同的测试溶液添加到同一个罐子中)。您可以在剩余的空玻璃罐中补充更多的解决方案(通过重复步骤5.a.-5.d.,一次用一个溶液填充罐子),使用量筒测量一定量使用解决方案添加到jar中,然后添加它。
rocks_calcium_carbonate_limestone_water
图4,进行快速目视检查,确保每个罐中的溶液量足以轻易覆盖其中一块石灰石岩石(至少留下约2-3厘米的溶液)。
  1. 使用pH试纸(或试纸)测定16个罐中每个罐中溶液的pH值。将您的结果记录在实验室笔记本中与表1类似的数据表中。具体来说,在”第0天” 列中记录行中的每个pH值以获得正确的罐号。
    1. 按照pH试纸包装上的说明进行操作。您需要匹配每个测试条更改的颜色(在浸入溶液后)以确定溶液的pH值。
  2. 现在取出剩余的空玻璃罐,用至少200 mL蒸馏水填充,然后取出您在步骤3中制作的一个岩石组,并执行以下操作:

    1. 如果任何岩石上有一个小的圆形标记,请尽量小心地移除它。如果某些标签留在岩石上,那就没关系。
    2. 简单地将这组中的一块岩石浸入装满蒸馏水的玻璃罐中。使用柔软的抹布轻轻地将水从岩石表面上吸干。你不希望岩石被淋湿,但也不想将它擦得那么多以至于岩石碎片断裂了.注意:在这一步中你会让岩石湿润,以便你可以更准确地比较他们现在的潮湿质量和接下来几天的潮湿质量。
    3. 如果需要,将秤缩小,然后称量秤上的岩石。在实验室笔记本中的数据表中记录岩石的质量(以克[g]为单位),与表2类似。具体而言,在”第0天” 栏中记录岩石编号1的行。
    4. 把这块石头放在罐子里1。
      1. 当您将岩石放入解决方案时会发生什么?在实验室笔记本中记录任何观察结果。
      2. 注意:如果需要,您可以在将它们放入罐子之前拍下每块岩石(带有标签)。通过这种方式,您可以比较他们对实验开始的看法以及他们在结束时的看法。图片可以继续科学博览会项目展示板
    5. 重复步骤7.a.-7.d.与这组中的其他三个岩石。
      1. 例如,对于您选择的第二块岩石,将其质量记录在2号岩石的行中并将其放入罐子2中。
  3. 再重复步骤7三次,以便将所有16块岩石称重并放入正确的罐子中。
    1. 例如,在第二组岩石中,你选择的第一块岩石将是岩石5,应放在5号岩石中。
    2. 每个罐子里最终都会有一块石头。
    3. 当您将每块岩石添加到其罐子中时,请务必记录您在实验室笔记本中所做的任何观察.
    4. 完成此步骤后,在实验室笔记本中记录时间。
  4. 当您将每块岩石放入其罐子中时,再观察罐子几分钟。你觉得怎么样?记录您在实验室笔记本中对每个罐子做出的任何其他观察。如果需要,您可以创建一个额外的数据表来记录您的观察结果。
    1. 提示:如果你不确定为什么你看到你做了什么,试着重新阅读​​简介,特别注意等式1中所示的碳酸盐反应。
  5. 大约24小时后,请执行以下操作:
    1. 检查每个罐中溶液的pH值,并将pH值记录在实验室笔记本的数据表中。将其记录在”第1天” 栏中。
    2. 通过执行以下操作来称量每块岩石:
      1. 戴上一副一次性手套。
      2. 小心地从罐子里取出岩石1。
      3. 用抹布轻轻擦去岩石表面的水分。你不希望岩石被淋湿,但也不想把它擦得那么多,以至于石块碎裂了。
      4. 称量刻度上的岩石并在数据表中记录其质量。将其记录在”第2天” 栏中。
      5. 轻轻地将岩石放回罐子里。
      6. 重复步骤10b.ii.-10.b.v.对于其他15个岩石中的每一个。当在不同的测试溶液(例如称重岩石4然后称重岩石5)之间进行时,用水简单地冲洗手套然后干燥它们.
  6. 在开始实验后约48小时(”第2天” ),72小时(”第3天” )和96小时(”第4天” )重复步骤10。在适当的一天将实验室笔记本中的所有数据记录在实验室笔记本的数据表中。另外一定要写下你在实验室笔记本上做的任何观察。
    1. 注意:如果需要,您可以在第4天拍摄每张石头(带标签)。如果您还在实验开始时拍照,可以比较一下岩石看起来然后与他们现在的样子相比。图片可以继续科学博览会项目展示板

分析结果

  1. 从表1中绘制数据的折线图。将时间(以天或小时为单位)放在x轴上,将pH值放在y轴上。为16个罐子中的每一个制作一条线。
    1. 如果需要,您可以为每个组制作单独的图表。例如,您可以获得100%醋罐的图表,50%醋罐子的图表等。
  2. 从表2中创建数据的第二个折线图。将时间放在x轴上(以天或小时为单位),将质量(以克为单位)放在y轴上。为16个岩石中的每个岩石划一条线。

    1. 同样,如果您愿意,可以为每个组制作单独的图表。
  3. 现在,在您的实验室笔记本中,创建一个类似于表3的数据表。进行一些计算以确定每块岩石的质量百分比随着时间的推移,与该岩石的初始质量进行比较(在第0天,使初始质量等于100%)。根据这些计算填写数据表。
    1. 例如,如果第0天的岩石质量为35.5克,第1天它的质量为30.6克,然后在第2天它的质量为29.8克,其初始质量的百分比第1天为86.2%,第2天则为83.9%。这是因为30.6克除35.5克等于0.862,与86.2%相同,29.8克除35.5克等于0.839,相当于83.9%.

初始质量百分比
Rock Number 测试解决方案 第0天 第1天 第2天 第3天 第4天
1 仅限水 100
2 100
3 100
4 100
5 25%醋 100
6 100
7 100
8 100
9 50%醋 100
10 100
11 100
12 100
13 100%醋 100
14 100
15 100
16 100

表3。在您的实验室笔记本中,制作一个这样的数据表,记录每块岩石随时间推移的初始质量百分比.”初始百分比” 列已填写,因为每个岩石应设置为100%。

  1. 重复步骤2以制作其他图表,但这次使用表3中的数据。将”第0天” 质量的百分比放在y轴上。
  2. 分析您的结果并尝试得出一些结论。如果您发现它有用,您可以制作其他图表以帮助查找不同变量之间的关系,但这可能不是必需的。
    1. 罐子的pH随时间变化如何?它是上升,下降还是保持在初始pH值?它是否因不同的测试解决方案而有所不同?你能解释一下你的结果吗?
    2. 岩石的质量是如何随时间变化的?对于不同的测试解决方案,群众的变化是否不同?如果是这样,怎么样?你能解释一下你的结果吗?
    3. 醋溶液的百分比(例如,100%醋与25%醋)如何与岩石的pH和/或质量随时间变化相关?一组失去了比其他组更多的质量?你的结果对你有意义吗?
    4. 比较每个测试溶液组中最小岩石与同一组中最大岩石的质量随时间的变化。岩石的大小是否与其随时间变化的质量有关?
      1. 根据这些比较,您认为您应该为每个测试解决方案组平均数据吗?为什么或者为什么不?
    5. 您是否看到pH值如何变化以及岩石质量如何变化之间存在任何相关性?
      1. 您所做的任何观察是否与pH值和质量数据随时间变化相关?你能解释一下你的结果吗?
    6. 总的来说,您的结果告诉您酸性地下水如何影响石灰岩和周围环境? 提示:如果您感到难过,请尝试重新阅读​​简介。您可能还需要考虑您测试的溶液的pH与通常的酸性地下水相比。

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变体形式

  • 在这个科学项目中,您尝试过100%醋,50%醋和25%醋溶液,但您可以尝试更广泛的醋浓度。不同浓度如何影响石灰石溶解的方式?
  • 不同类型的酸会影响石灰石岩石溶解的速度或程度吗?为了找到答案,再次尝试这个实验,但比较一些不同类型的酸,如柠檬汁,橙汁,番茄汁和牛奶。酸的强度或pH值会影响岩石溶解的速度吗?有关更多想法,请查看科学伙伴资源酸,碱,&amp; pH值。使用不同的化学品时,请务必遵循适当的安全预防措施。
  • 在这个科学项目中,你可能没有看到岩石完全溶解,但如果它们长时间留在酸性溶液中会发生这种情况吗?您可以在更长的时间内完成此实验以尝试查找!
  • 还有其他类型的沉积岩含有碳酸盐化合物,如白云岩或白云石,它是由碳酸钙镁制成的。看看你是否能找到含有这种碳酸盐化合物的其他岩石来源,然后尝试重复这个实验。与石灰石相比,其他碳酸盐岩溶解的程度如何?一定要进行背景研究,以便了解发生的化学反应,并确保测试它们是安全的!
  • 其他类型的岩石 – 不含碳酸盐化合物的岩石 – 被酸性水溶解,甚至是典型的中性水?如果是这样,它们溶解的比碳酸盐岩更多吗?研究这个,然后测试出来!
  • Sinkholes是喀斯特地貌的形成,如​​简介中所述,但喀斯特地貌也形成了其他特征。它们与下沉孔有什么不同或相似之处?你能设计出一种模拟下沉洞或其他类型的喀斯特地貌的方法吗?
  • 在这个科学项目中,所测试的100%醋溶液的pH值应该在2左右。但是,酸性地下水通常具有不太酸的pH值;它只需要5.5或更低就可以被认为是酸性地下水,而酸雨(可以降低地下水的pH值)只有4的pH值。你测试过的一些溶液的pH值可能略高,例如大约3尝试制作pH值在4-5.5左右的溶液,并用它重复这个科学项目。这种略高的pH溶液(仍为酸性)如何影响石灰石岩石的溶解?它与酸性更强的溶液相比如何?
  • 当溶解在酸性水中时,石灰石岩石比较大或更小?试试这个,你可以拿一些岩石把它们分成小块,或用更大的容器来测试更大的岩石。只要确保你没有让它们变得那么小,以至于它们的质量太小而无法衡量你的尺度!
  • 增加大气中的二氧化碳(CO 2 )水平会使水更酸。设计一种安全的方法来测试它。需要多少额外的CO 2 来降低水的pH值一定量?这与CO 2 水平在大气中的实际增加情况相比如何?对于水中含有碳酸盐化合物的物质,如石灰石,还有贝壳和珊瑚,它们中还含有碳酸钙,会有什么影响?
  • 水可与大量铁反应生成酸性水。需要多少铁来降低水的pH值一定量?需要多少铁才能使水足够酸化以溶解大量的石灰石?设计一种调查方法。