利用傳感器探究壓強對氨與氯化氫反應速率的影響

肖中榮 周萍

摘要： 選擇氨氣和氯化氫反應為體系，向50mL氨（氣）分別注入30mL、 50mL的HCl氣體，用溫度傳感器和壓強傳感器繪制壓強-時間（P-t）曲線、溫度-時間（T-t）曲線，記錄反應速率的變化;向體積相同的氨（氣）中充入氯化氫氣體越多，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，呈現壓強越大反應速率越大的現象。

關鍵詞： 反應速率; 壓強影響; 傳感器實驗; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）10-0075-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

影響化學反應速率的外界因素有濃度、壓強、溫度和催化劑等。人教版化學選擇性必修1《化學反應原理》第二章第一節“化學反應速率”安排了濃度、溫度、催化劑影響反應速率的演示實驗，沒有安排壓強影響反應速率的實驗，但在章節“整理與提升”欄目卻要求學生填寫壓強對反應速率的影響[1]。蘇教版《化學反應原理》也沒有安排演示實驗，只是進行了理論描述： 密閉恒溫容器中對于氣體參加的反應，增大壓強相當于增大反應物濃度，使反應速率增大[2]。由于學生缺乏通過實驗現象直觀理解壓強對速率的影響，故弱化了教學效果。

1? 有關的文獻評述

中國知網收錄了一篇壓強影響速率的實驗演示文獻[3]： 用點燃的細香插入預先收集有一定濃度氧氣的密閉容器，注射器注入蒸餾水以減少容器容積、增大氧氣濃度，觀察細香由暗變亮的燃燒現象，說明增大壓強反應速率增大。實驗原理雖簡單，但操作難度較大（氧氣濃度一般控制在47%左右才能觀察到明顯現象），實驗成功率較低，不適合作為課堂教學的演示實驗。

2? 利用傳感器探究壓強對氨與氯化氫反應速率的影響

氨氣和氯化氫生成氯化銨的知識在人教版必修2教材[4]已出現，本文利用此知識點作為反應原理探究壓強對反應速率的影響，可以充分發揮已學知識的價值，減輕學生的認知負荷。實驗通過壓強和溫度傳感器精確捕捉反應過程中壓強和溫度的變化，基于“宏觀—微觀—曲線”三重表征的比較、分析不同壓強下的反應速率的大小，呈現壓強對反應速率的影響，培養學生科學探究、證據推理的素養。

2.1? 實驗原理

HCl（g）+NH3（g）NH4Cl（s）， ΔH<0? ΔS<0，反應速率較快，反應過程體系壓強、溫度均會發生變化，可用壓強和溫度隨時間的變化描述反應速率;改變反應物的體積可以探討壓強對化學反應速率的影響。

2.2? 實驗儀器和裝置

100mL、 50mL三頸燒瓶若干支，100mL、 50mL、 30mL玻璃針筒若干支，19#、 14#橡皮塞，溫度傳感器（LW-T801，量程-20～+130℃），壓強傳感器（LW-T722，量程0～700kPa），數據采集器，DISLab8.0軟件，制備收集NH3、 HCl氣體的裝置。主要實驗裝置如圖1所示。

2.3? 實驗藥品

濃鹽酸，濃硫酸，氫氧化鈉固體，濃氨水，堿石灰等

2.4? 實驗操作

如圖1所示，在三頸燒瓶中間管口插入壓強傳感器，左側管口插入溫度傳感器。

收集一定量干燥的NH3（體積記為V1）于三頸燒瓶中，右側管口用橡皮塞密封，固定到鐵架臺上。開啟電腦并將傳感器通過數據采集器與電腦相連，打開DISLab8.0軟件，選擇“通用軟件”點擊開始，軟件程序自動識別出溫度傳感器和壓強傳感器。設置采集圖線左邊Y軸為壓強坐標，右邊Y軸為溫度坐標，采集頻率為5/s，采集數據表格間隔0.2s，采集時長約10min。用玻璃針筒收集一定量干燥的HCl氣體（體積記為V2）。先點擊“啟動采集”，迅速將HCl氣體從三頸燒瓶的右側管口全部注入（因為氯化氫的密度大于氨的密度，快速注入氯化氫氣體，便于充分混合氣體;但注氣速度不要太快、防止內壓過大蹦出橡皮塞）。電腦記錄軟件中圖線的變化，當溫度和壓強的曲線基本趨于平穩，停止采集并保存P-t曲線、T-t曲線，對曲線進行數學處理，分別求出曲線最高點的ΔP/Δt和ΔT/Δt量值。

2.5? 實驗現象與數據記錄

（1）V1=50mL NH3、 V2=30mL HCl體系起始壓強為96.8kPa（a點）。將HCl氣體注入三頸燒瓶壓強增大，當HCl氣體完全注入后體系壓強最大為134.3kPa，同時產生大量白色固體，壓強隨之減小，反應結束后壓強降為71.6kPa（d點）。體系起始溫度為18.5℃（f點），反應放熱溫度升高，最高溫度為38℃（h點）（壓強降到最低時溫度幾乎上升到最高），然后溫度慢慢降低，反應結束溫度T2為35℃（i點）（截圖上顯示的是反應結束后一段時間的溫度，此時溫度高于起始溫度，下同），如圖2所示。

P-t曲線圖、T-t曲線圖

（2）V1=50mL NH3、 V2=50mL HCl體系起始壓強為97.4kPa，將HCl氣體注入三頸燒瓶壓強增大，當HCl氣體完全注入體系后壓強最大為143.3kPa，同時產生大量白色固體，壓強隨之減小，反應結束后壓強為51.1kPa。體系起始溫度為22.9℃，反應放熱溫度升高，最高溫度為67.1℃（壓強降到最低時溫度幾乎上升到最高），然后溫度慢慢降低，反應結束溫度T2為49.2℃，如圖3所示。

2.6? 現象分析與結論

對圖2進行“宏觀-微觀-曲線”三重表征分析，如表1所示。

將圖2、圖3的P-t曲線圖、T-t曲線圖整合得到圖4、圖5。

計算圖4、圖5的曲線最高點的ΔP/Δt、 ΔT/Δt量值，如表2所示。

分析上述曲線和數據表格，可以得出如下結論：

（1） NH3和HCl反應的P-t曲線、T-t曲線可以精確記錄反應速率先變大后減小的變化。

（2） 氨的體積相同時充入氯化氫氣體越多，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，說明此時的反應速率越大。

做了多組平行實驗探究（如V1=100mL、 V2=50mL; V1=100mL、 V2=100mL），曲線形狀與實驗（1）、（2）的曲線形狀相似，實驗重現性好。

說明： 實驗均在室溫20℃左右進行，注入HCl氣體壓縮三頸燒瓶氣體做功，影響體系的溫度與壓強，實驗誤差不可避免，平行實驗獲得的曲線圖像是相同的，不影響實驗結論。

以氨氣和氯化氫氣體為反應體系，用壓強傳感器和溫度傳感器精確捕捉反應過程中壓強和溫度隨時間的變化，繪制P-t、 T-t曲線，描述反應速率的變化。向同體積氨氣充入氯化氫氣體體積越大，P-t、 T-t曲線越陡，曲線最高點對應的ΔP/Δt與ΔT/Δt量值越大，直觀演示了“恒容密閉容器中，有氣體參與的化學反應，增大壓強反應速率增大”的現象。

本實驗可以選作課堂演示實驗或學生課外探究實驗。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所. 普通高中教科書·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 50.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京： 江蘇鳳凰出版傳媒集團， 2012： 37.

[3]譚文生等. 壓強對化學速率影響實驗的創新改進[J]. 中學化學， 2018， （2）： 31.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所. 普通高中教科書·化學必修（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 14.