壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡影響實(shí)驗(yàn)的探究

文章編號(hào)：1005－6629(2007)08－0012－02中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

當(dāng)今我國(guó)有多套中學(xué)化學(xué)新教材引入了用注射器來(lái)做“壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡影響”的實(shí)驗(yàn)，如全國(guó)發(fā)行的蘇教版“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”選修教材（P59）就以問(wèn)題探究模式設(shè)置了這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在該教材中 “壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響” 實(shí)驗(yàn)的編寫是從學(xué)生的原有認(rèn)知出發(fā)，讓他們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和思考，結(jié)合所學(xué)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)象的關(guān)系作出科學(xué)的解釋。特別是當(dāng)用注射器推壓或抽拉NO₂氣體時(shí)，產(chǎn)生的顏色變化會(huì)受到平衡移動(dòng)、觀察角度以及熱效應(yīng)等綜合因素的影響，這會(huì)使得學(xué)生對(duì)于這個(gè)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生驚訝、疑惑、猜測(cè)等，并會(huì)在尋覓正確答案的過(guò)程中，獲得深刻的認(rèn)識(shí)。

事實(shí)上，對(duì)于蘇教版“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”教材P59的圖4-10中所繪的注射器中的NO₂顏色深淺之變化，常存在爭(zhēng)議。教材圖示中左側(cè)注射器和右側(cè)注射器中的氣體顏色較接近，從文字?jǐn)⑹鰜?lái)講，NO₂氣體在壓縮后（其他條件不變），顏色會(huì)先變深再變淺，這點(diǎn)沒有疑問(wèn)。但實(shí)驗(yàn)時(shí)若按教材上第59頁(yè)的畫法來(lái)觀察NO₂顏色的話(即通過(guò)注射器弧形外壁直接觀察)，則不僅很難如意看到NO2氣體分子總數(shù)量有所減少，相反，到完全平衡時(shí)（內(nèi)部溫度恢復(fù)原狀），NO₂顏色反而會(huì)變得比壓縮前略深些。這主要與觀察方向有關(guān)，因?yàn)樽⑸淦髟趬嚎s氣體時(shí)，壓強(qiáng)增大，使平衡朝體積減少的方向移動(dòng)，故NO2的分子數(shù)減少，而同時(shí)隨著注射器內(nèi)氣體的壓縮，觀察面積也在減少，導(dǎo)致單位面積上觀察到的NO₂分子數(shù)比壓縮前反而要多，所以顏色略深。

現(xiàn)以一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)作進(jìn)一步的說(shuō)明，圖1是該對(duì)照實(shí)驗(yàn)的三組實(shí)物照片，三組照片是同一對(duì)注射器在一起推或拉時(shí)拍下的對(duì)照照片，每組中的上一支注射器裝有NO₂，下一支裝有Br₂。第一組兩注射器中氣體顏色深度相近，從理論上推算，壓縮后兩者體積相同時(shí)，NO₂ 顏色應(yīng)比Br₂ 要淺，壓縮后NO₂ 顏色也比壓縮前NO₂顏色淺。但從實(shí)物照片上可看出壓縮后的氣體（包括NO₂）比沒壓縮時(shí)都要深。照片上第三組為兩支注射器抽拉減壓到相同體積，可以看出Br₂的顏色是最淺的，NO₂減壓后顏色比Br₂深些，但比前兩次NO₂ 顏色都淺。理論上，當(dāng)抽拉時(shí)壓強(qiáng)減少，NO₂—N₂O₄平衡體系往體積增大的方向移動(dòng)，NO₂的分子數(shù)增多，顏色應(yīng)該最深，但是由于抽拉時(shí)，觀察面積增大，單位觀察面積上的分子數(shù)反而減少，所以顏色反而變得最淡。因此通過(guò)注射器弧形外壁直接觀察的方法本身存在著缺陷。對(duì)此教師演示時(shí)可以用Br₂作對(duì)比來(lái)校證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“異常”。

“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”教材P59的圖可以說(shuō)是有意引伸出一些問(wèn)題和相關(guān)的“異常現(xiàn)象”，接著該教材在P60的學(xué)生作業(yè)欄中，出了一道關(guān)于該實(shí)驗(yàn)觀察方法的探討題，題目為：“當(dāng)進(jìn)行壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡影響的實(shí)驗(yàn)時(shí)，請(qǐng)?jiān)O(shè)想如果在改變壓強(qiáng)的過(guò)程中，從注射器的頂端(見下圖)觀察針筒內(nèi)氣體顏色的變化，可以得到怎樣的結(jié)論？與其他的觀察方法比較，那種觀察方法更科學(xué)、更合理？為什么？”該探討題與P59的實(shí)驗(yàn)圖前后呼應(yīng)，出得很有意義。在該題討論中，學(xué)生一定要考慮到氣體體積、壓強(qiáng)、溫度等因素與化學(xué)平衡的關(guān)系，還要考慮到氣體體積變化導(dǎo)致的顏色變化與觀察角度之間的關(guān)系，其間還涉及到圓柱體體積及其面積等的計(jì)算。當(dāng)然教師通過(guò)圖2的對(duì)照實(shí)物進(jìn)行探討和驗(yàn)證，無(wú)疑會(huì)起到事半功倍之作用。

該題的正確答案應(yīng)該是：“用P60圖示的方法（即從注射器頂端，朝活塞方向觀察）是更科學(xué)、更合理的。因?yàn)樽⑸淦鲀?nèi)如果裝入的是Br₂（不存在平衡移動(dòng)），那么壓縮也好，抽拉也好，體積再變，其中的溴分子總數(shù)也不變，這些分子通過(guò)同一面積（注射器頂端圓形面積不會(huì)變）來(lái)觀察、比較，顯然顏色也不會(huì)有深淺差異，因此通過(guò)注射器做壓強(qiáng)對(duì)NO₂—N₂O₄平衡體系的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，也應(yīng)選擇觀察面積不變的觀察方式，即從注射器頂端進(jìn)行觀察，這樣才能明顯地觀察到由于NO₂分子總數(shù)的變化而引起的顏色變化，即壓縮顏色變淺，抽拉減壓顏色變深，從而使理論和實(shí)際相一致。

當(dāng)然，教師在組織學(xué)生探究上述問(wèn)題前，可建議學(xué)生去查閱相關(guān)資料，并仔細(xì)分析上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，然后再結(jié)合實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到的問(wèn)題及觀察到的“異常現(xiàn)象”，引導(dǎo)學(xué)生提出各種問(wèn)題和看法。包括由于加壓而產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)該平衡造成的影響等問(wèn)題。這些問(wèn)題的綜合分析、探究、驗(yàn)證，無(wú)疑會(huì)提高學(xué)生的各方面能力。