氣體壓強變化模型建構與應用

廣東 游 奕 黎紹亮

對高考二輪復習來說，實驗教學復習需要教師關注化學研究的四個維度，即宏觀、微觀、符號和模型。氣體壓強及變化作為高考考查內容的重要載體，可借助不同試題情境，聚焦核心價值、學科素養、關鍵能力和必備知識。

氣體壓強是指氣體對某一點施加的流體靜力壓強，氣體壓強產生的原因是大量氣體分子對容器壁的持續的、無規則的撞擊。氣體壓強與理想氣體狀態方程相關，理想氣體狀態方程的表達式為pVg=ngRT，其中p表示氣體壓強，Vg表示氣體體積，ng表示氣體物質的量，T表示氣體的熱力學溫度，R表示理想氣體常數。氣體壓強的變化會直接影響氣體的體積、性質以及實驗結果的準確性，適宜的體系壓強能保證實驗順利進行，因此定性、定量的討論是非常有必要的。

在近年的高考化學實驗試題中氣體壓強變化問題是高頻考點，此類問題不僅考查了學生的必備知識，如實驗基礎知識、實驗基本操作，還考查了學生在真實情境中解決實際問題的關鍵能力，以及學生化學學科核心素養的發展水平。因此，在二輪復習中，教師不僅要梳理出氣體壓強的相關問題，更要幫助學生構建氣體壓強變化模型，溯源本質，并在運用和反思中掌握必備知識，形成關鍵能力，發展核心素養。

一、“生”氣加壓模型

根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，其他條件不變時，若化學反應生成氣體，即氣體物質的量ng增大，氣體壓強p增大，可理解為“生”氣加壓。

1.氣球增大

【例1】碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應現象的比較。

按圖1要求完成實驗：在兩支試管中分別加入3 mL稀鹽酸，將兩個各裝有少量等質量的碳酸鈉、碳酸氫鈉粉末的小氣球套在兩支試管的管口。將氣球內的碳酸鈉和碳酸氫鈉同時倒入試管中，觀察到的實驗現象是______________________________________。

圖1

【參考答案】兩個氣球均膨脹，碳酸氫鈉與鹽酸混合比碳酸鈉與鹽酸混合生成的氣體使氣球膨脹得快且體積大

2.玻璃管中液面的變化

【例2】如圖2所示，下列敘述正確的是

( )

A.氣球脹大，紅墨水左移

B.氣球縮小，紅墨水右移

C.氣球脹大，紅墨水右移

D.氣球縮小，紅墨水左移

圖2

【參考答案】D

【模型應用理解】過氧化氫在催化劑二氧化錳的作用下，迅速分解產生大量氧氣，由于廣口瓶密閉，廣口瓶內氣體體積Vg不變，ng增大，根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，p增大。瓶內壓強增大，則充氣氣球內的氣體被擠壓出去，氣球縮小，紅墨水左移，故選D。

【例3】(2021·天津學來水平等級性考試·15節選)某化學小組同學利用一定濃度的H2O2溶液制備O2，再用O2氧化C2H5OH，并檢驗氧化產物。

Ⅰ.制備O2

該小組同學設計了如圖3氣體發生裝置(夾持裝置省略)

甲

乙

丙

(3)丙裝置可用于制備較多O2，催化劑鉑絲可上下移動。制備過程中如果體系內壓強過大，安全管中的現象是________________，此時可以將鉑絲抽離H2O2溶液，還可以采取的安全措施是________________。

【參考答案】液面上升 打開彈簧夾K2

【模型應用理解】丙裝置用圓底燒瓶盛裝H2O2溶液，可用于制備較多O2，催化劑鉑絲上下移動可以控制反應速率。制備過程中產生的O2較多，ng增大，氣體壓強p增大(其他條件不變時)，體系內壓強過大，H2O2溶液會被壓入安全管中，可觀察到安全管中液面上升，圓底燒瓶中液面小幅下降。此時可以將鉑絲抽離H2O2溶液，使反應速率減慢，還可以打開彈簧夾K2，使燒瓶內壓強降低。

【例4】(2019·浙江4月選考·28節選)某同學設計如圖4裝置(氣密性已檢查)制備Fe(OH)2白色沉淀。請回答：

圖4

(2)實驗開始時，關閉K2，打開K1，反應一段時間后，再打開K2，關閉K1，發現3中溶液不能進入4中。請為裝置作一處改進，使溶液能進入4中：________。

【參考答案】在裝置2、3之間添加控制開關

二、“滅”氣減壓模型

根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，其他條件不變時，溶液與氣體反應或溶解吸收氣體，ng減小，氣體壓強p減小，可理解為“滅”氣減壓，最常見的是噴泉實驗。

【例5】如圖5裝置中，干燥燒瓶內盛有某種氣體，燒杯和滴管內盛放某種溶液。擠壓滴管的膠頭，下列與實驗事實不相符的是

( )

圖5

A.CO2(NaHCO3溶液)，無色噴泉

B.NH3(H2O中含酚酞)，紅色噴泉

C.H2S(CuSO4溶液)，黑色噴泉

D.HCl(AgNO3溶液)，白色噴泉

【參考答案】A

三、減容增壓或增容減壓模型

根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，其他條件不變時，氣體體積Vg減小，氣體壓強p增大，氣體體積Vg增大，氣體壓強p減小，可理解為減容增壓，增容減壓。

1.排液集氣量氣(液)法及其要注意的問題

高中階段的排液集氣量氣(液)不僅要等氣體恢復到室溫后再讀數，而且要注意使讀數裝置和集氣瓶內液面處于同一高度，后者主要是為了使讀數裝置內的壓強和外界壓強一致，也只有氣體壓強p一致的情況下，才能準確讀出氣體體積Vg。

【例6】(2020·天津卷·15節選)為測定CuSO4溶液的濃度，甲、乙兩同學設計了兩個方案?；卮鹣铝袉栴}：

Ⅱ.乙方案

實驗步驟：

①按圖6安裝裝置(夾持儀器略去)

圖6

②檢查裝置氣密性

③在儀器A、B、C、D、E中加入圖示的試劑

④調整D、E中兩液面相平，使D中液面保持在0或略低于0刻度位置，讀數并記錄

⑤將CuSO4溶液滴入A中攪拌，反應完成后，再滴加稀硫酸至體系不再有氣體產生

⑥待體系恢復到室溫，移動E管，保持D、E中兩液面相平，讀數并記錄

⑦處理數據

(9)若步驟⑥E管液面高于D管，未調液面即讀數，則測得c(CuSO4)________(填“偏高”“偏低”或“無影響”)。

【參考答案】偏高

【模型應用理解】利用連通器原理，讀取讀數之前，應對量氣管進行的操作為調整量氣管高度，使左右兩邊液面相平。若步驟⑥E管液面高于D管，說明氣體的壓強p大于大氣壓，p增大，根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，所測氣體體積Vg偏小，與硫酸反應的鋅的質量偏小，與硫酸銅反應的鋅的質量偏大，則測得c(CuSO4)偏高。

2.壓強對化學平衡的影響

對于有氣體參加的可逆反應，當達到平衡時，在其他條件不變的情況下，增大壓強(減小容器的容積)會使化學平衡向氣體體積縮小的方向移動；減小壓強(增大容器的容積)，會使平衡向氣體體積增大的方向移動。

( )

圖7

A.b點的操作是拉伸注射器

B.d點：v(正)>v(逆)

C.c點與a點相比，c(NO2)增大，c(N2O4)減小

D.若不忽略體系溫度變化，且沒有能量損失，則溫度T(c)>T(d)

【參考答案】D

【模型應用理解】b點時，透光率突然下降，說明c(NO2)突然增大，則操作是壓縮注射器，管內容積Vg減小，氣體的壓強p增大，c(NO2)突然增大，A項錯誤；d點，透光率下降，則c(NO2)增大，平衡逆向移動，v(正)T(d)，D項正確。

四、升溫擴壓模型

根據理想氣體狀態方程pVg=ngRT，其他條件不變時，氣體的熱力學溫度T增大，氣體壓強p增大，可理解為升溫擴壓。

以氣密性的檢驗為例，檢查裝置的氣密性有多種方法，原理都是根據裝置內外的壓強差形成水柱或產生氣泡。分析各種檢查方法，不論裝置如何復雜或者情境如何陌生，都應優先注意檢查裝置有沒有構成密封系統。

【例8】圖8所示是一些裝置氣密性檢查的方法，其中正確的是

( )

A

B

C

D

【參考答案】B

【模型應用理解】選項A、C和D中，雙手捂住裝置，實現溫度T升高，p增大，表面看可以檢驗裝置的氣密性，但三個裝置都與外界空氣相通，沒有構成密封系統，會使擴容氣體直接排放到空氣中，無法實現氣密性檢驗，故三者均不正確；而B項中用彈簧夾夾住右邊導管，向(左邊)長頸漏斗中加入一定量的水，則構成密封系統。長頸漏斗中液面一開始下降，但一段時間后不再下降，即液面高度保持不變，則說明裝置氣密性良好，故能檢查裝置氣密性，為該題的正確答案。

五、模型綜合運用

圖9是實驗室用于制備和收集一定量較純凈的ClO2的裝置(某些夾持裝置和墊持用品省略)。其中F中盛有CCl4液體(用于除去ClO2中的未反應的Cl2)。

圖9

解答下列有關儀器名稱、連接、裝置作用等相關問題：

(1)裝置A中導管a的作用是________。

(2)裝置B可用于暫時儲存多余的氯氣，實驗完畢后，關閉活塞K，B中觀察到的現象是________。

(3)裝置C的作用是________________；C中所盛試劑是________。

【參考答案】(1)平衡氣壓，便于液體順利滴下

(2)集氣瓶中液面下降，長頸漏斗b中液面上升，氣體呈黃綠色

(3)除去Cl2中混有的HCl，平衡氣壓，防止氣壓過大 飽和食鹽水

【模型應用理解】(1)裝置A中導管a的作用是平衡氣壓，使裝置內的壓強和外界壓強保持一致，即使液體順利流下；(2)裝置B可用于暫時儲存多余的氯氣。實驗完畢后，關閉活塞K，B中氣體物質的量ng增大，氣體壓強p增大，出現“生”氣加壓，漏斗內液面順著導管上升，集氣瓶總液面下降，實現儲存、收集氣體；(3)裝置C的作用是可除去氯氣中的HCl，且作安全瓶，平衡氣壓，防止裝置C和后面裝置氣體壓強過大；C中所盛試劑是飽和食鹽水，吸收氯氣中的雜質氯化氫氣體。

教師依據本文梳理氣體壓強變化模型在不同實驗情境下的運用，可以幫助學生鞏固必備知識pVg=ngRT，以ng、Vg和T的變化類型形成解決問題的關鍵能力，促進了學生建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律等，也是學生進行深度學習、發展核心素養的必經過程。