用氣壓式噴壺探究氣體溶解平衡移動的影響因素

宋偉

摘要： 為探究濃度、壓強、溫度對“CO2（g）CO2（aq）”平衡移動的影響，用改裝的氣壓式噴壺制作實驗裝置，通過改變鼓入氣體類型、開閉排氣閥門、水浴加熱等方式控制瓶內CO2的濃度、壓強、溫度，用溴百里香酚藍溶液的變色識別平衡移動。該裝置還能完成三個拓展實驗和趣味實驗，具有成本低、易組裝、時間短、多功能的特點，適合學生分組實驗。

關鍵詞： 氣體溶解平衡； 平衡移動； 氣壓式噴壺； 實驗設計

文章編號： 10056629（2023）11007904 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

化學平衡是“化學反應原理”部分的重要概念，是發展學生“變化觀念與平衡思想”的重要載體。同時，由于化學平衡的概念具有抽象性，是教學中的難點，需要實驗來幫助學生直觀感知。化學平衡可分為“化學反應平衡”和“相平衡”，其中高中階段常見的“相平衡”又包括“沉淀溶解平衡”和“氣體溶解平衡”。已有很多文獻針對“化學反應平衡”和“沉淀溶解平衡”做出改進和創新，例如前者有2NO2N2O4反應、 Fe3++3SCN-Fe（SCN）3反應、 Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+反應的平衡移動，后者有碘化鉛、氫氧化鎂等沉淀的溶解平衡［1～3］。

但是，很少有文獻設計“氣體溶解平衡”的實驗。為數不多的實驗有周繼敏［4］設計的數字化實驗，用壓強傳感器測量注射器中“二氧化碳水”體系在壓縮、負壓時的壓強變化，發現壓縮時壓強先增大后減小，負壓時壓強先減小后增大，以此證明壓強對平衡移動的影響。筆者認為，這個實驗沒有排除傳感器示數波動的影響，因為傳感器在壓強突然增大或減小時，本來就可能有短暫的不穩定；而且實驗儀器成本較高。

在常規課教學中，教師一般會用“打開汽水瓶噴出大量泡沫”的生活經驗證明“壓強變化導致平衡移動”，但其實在打開汽水瓶時，不僅壓強發生了變化，氣相二氧化碳濃度也降低了，甚至溫度也會降低，并沒有達到“控制變量”的實驗要求，結論不太嚴謹。

因此筆者認為有必要對氣體溶解平衡移動實驗做進一步改進，這樣能夠與“化學反應平衡”實驗和“沉淀溶解平衡”實驗共同構成“化學平衡”完整的實驗體系。本文介紹的實驗能夠探究壓強、濃度、溫度對氣體溶解平衡移動的影響，具有低成本、簡單快捷、適合學生分組動手完成的特點。

2 實驗原理

在“二氧化碳水”體系中，主要存在三種平衡：氣體溶解平衡為CO2（g）CO2（aq）， ΔH=-19.75kJ/mol，化學反應平衡為CO2（aq）+H2O（l）H2CO3（aq），電離平衡（僅考慮一級電離，二級電離可忽略）為H2CO3（aq）H+（aq）+HCO-3（aq）。實際上，氣體溶解占據主導地位，而與水反應、電離都非常微弱。經文獻計算［5］，常溫常壓下CO2（g）溶于水并達到平衡狀態時，約99.4%仍然為CO2（aq），只有約0.6%轉變為了H2CO3和HCO-3［6］。因此，本實驗只考慮體系內的CO2（g）CO2（aq）平衡。

溴百里香酚藍常用于CO2溶液指示劑，其變色范圍在pH 6.0（黃綠）～7.6（藍）之間非常靈敏，且在pH<6.0時更黃，pH>7.6時更藍。隨著CO2從沒有溶解到溶解得越來越多，溴百里香酚藍溶液的顏色會呈現藍色→綠色→黃色的變化。

3 實驗試劑與儀器

實驗試劑：0.1%溴百里香酚藍溶液，配置方法為稱量0.1g溴百里香酚藍粉末，先溶于5mL乙醇，然后加入95mL蒸餾水（pH約為7）。空氣（含有約0.03%二氧化碳）、人體呼出氣體（含有約4%二氧化碳）、二氧化碳吸收劑（氫氧化鈣顆粒）。

實驗儀器：600mL左右的無色透明飲料瓶（如可樂瓶）、塑料加壓噴霧器（前2種材料共同組成氣壓式噴壺，可網購）、導管、氣泡石（直徑應小于飲料瓶瓶口）、儲氣囊（可用塑料袋代替）、水槽、塑料白板。

4 實驗裝置

實驗裝置見圖1，主要分為三個部分：加壓噴霧器（包括進氣口、出氣口、導管、閥門、打氣筒、活塞、推拉桿等）、飲料瓶、儲氣囊。

首先，對市場上購買的加壓噴霧器做以下改裝。（1）原本的噴壺進氣口沒有導管，這是因為原本噴壺不需要氣體進入溶液。但本實驗中為了加快平衡移動的速率、盡快建立新的平衡，不僅在進氣口增加一個伸入液面下方的導管（用實線表示），還在導管末端連接一個氣泡石，大大增加氣泡與液體的接觸面積。（2）原本的噴壺出氣口連接有伸入液面下方的導管（用虛線表示），這是因為原本噴壺在按壓閥門后需要讓液體噴出。但本文實驗中需要把瓶內氣體噴出，液體不用噴出，因此拆除該導管。

其次，在飲料瓶內倒入3～5cm高度的0.1%溴百里香酚藍溶液，把加壓噴霧器旋緊在飲料瓶的螺紋瓶口上。

最后，在塑料袋中收集大約一半體積的人體呼出氣體和一半體積的空氣（以下簡稱“混合氣”），使二氧化碳濃度約為2%。例如邊長20cm的塑料袋大約要三四口氣才能吹鼓，可以先在塑料袋內充滿空氣，再吹進兩口氣，形成混合氣。待塑料袋鼓起來后用夾子夾緊袋口，備用。需要鼓入混合氣時，用橡皮筋把袋口箍在打氣筒的進氣端，用手捏緊即可。

5 基礎實驗的步驟、現象和結論

本實驗可分為5個基礎實驗、2個拓展實驗和1個趣味實驗。基礎實驗的目的是探究濃度、壓強、溫度3種條件對氣體溶解平衡移動的影響，這是平衡移動教學的重點。實驗的總體設計如表1，前一個實驗的最終狀態就是后一個實驗的初始狀態，因此可以在一個氣壓式噴壺中一次性完成所有基礎實驗。通過觀察宏觀水平的指示劑顏色判斷微觀水平的CO2（aq）濃度，根據條件變化前后CO2（aq）濃度的變化判斷平衡移動的方向。實驗1展示了“二氧化碳水”體系的氣體溶解平衡建立過程，實驗2展示了增大氣體濃度導致平衡正向移動，實驗3和實驗4展示了增大（減小）壓強導致平衡正向（逆向）移動，實驗5展示了提高溫度導致平衡逆向移動。

6 拓展實驗的步驟、現象和結論

6.1 拓展實驗1

拓展實驗1的目的是作為基礎實驗的補充，探究充入不參與溶解平衡的氣體對平衡移動的影響，讓學生更深刻地理解壓強的實質是指氣體分壓。拓展實驗1的步驟為：

（1） 模仿基礎實驗2的步驟，建立平衡狀態B作為初始狀態，即瓶內處于常壓、室溫、充滿混合氣的狀態，此時溶液為綠色。

（2） 用儲氣囊（塑料袋）收集一袋空氣，放入氫氧化鈣顆粒后扎緊袋口搖晃幾下，去除空氣中的二氧化碳，然后把儲氣囊口固定在打氣筒的進氣端。

（3） 關閉閥門，封閉裝置。推拉活塞，鼓入去除二氧化碳的空氣，觀察溶液顏色變化。

拓展實驗1的現象是，雖然可以感覺瓶子充氣后變得硬邦邦的，但溶液顏色不變。實驗現象說明雖然充入不參與溶解的氣體能夠導致壓強增大，但二氧化碳的分壓不變，因此平衡不移動。

6.2 拓展實驗2

拓展實驗2的目的是探究改變體積對平衡移動的影響，讓學生理解減小體積實質上也會增大壓強、造成平衡移動。拓展實驗2的步驟為：

（1） 模仿基礎實驗2的步驟，建立平衡狀態B作為初始狀態，即瓶內處于常壓、室溫、充滿混合氣的狀態，此時溶液為綠色。

（2） 關閉閥門，封閉裝置。用力捏扁瓶子，并振蕩幾下，觀察溶液顏色變化。

拓展實驗2的現象是，溶液顏色從綠色變成黃色。實驗現象說明，體積減小能夠導致平衡向著正反應方向（總氣體體積減小方向）移動。同時，實驗者能夠直觀感受到瓶子捏扁時內部氣壓增大了，因此減小瓶內氣體體積，與增大壓強是等效的。

7 趣味實驗的步驟、現象和結論

趣味實驗的目的是讓學生體驗實驗中顏色變化帶來的樂趣，然后運用剛剛學習的氣體溶解平衡知識解釋現象。趣味實驗的步驟為：

（1） 模仿基礎實驗3的步驟，建立平衡狀態C作為初始狀態，即瓶內處于封閉加壓、室溫、充滿混合氣的狀態，此時溶液為黃色。

（2） 倒置實驗裝置，使水浸沒出氣口。

（3） 按壓閥門，噴出水霧到塑料白板上，觀察噴出水霧的顏色變化。

本實驗的現象是，瓶內黃色的溶液在噴出后，在塑料白板上聚集為藍色的小水珠。學生可以用基礎實驗得到的結論來解釋本實驗的現象：與瓶內溶液相比，水霧噴出后壓強減小，且周圍二氧化碳濃度也減小，這2個因素都導致平衡向逆反應方向移動。此外，師生還可以自己設計更多的趣味實驗，例如在環境中放干冰、使噴出的藍色溶液變黃等。

8 實驗創新點

（1） 用氣壓式噴壺改裝成實驗裝置，加壓時不漏氣、成功率高，而且成本很低，網購氣壓式噴壺僅3元/個。

（2） 在進氣導管處連接氣泡石，增大了氣體與液體的接觸面積，有利于快速建立新的平衡，縮短實驗時間。

（3） 實驗具有集成化的特點，可以用一個裝置一次性完成多個實驗。

參考文獻：

［1］劉長勝. 壓強影響2NO2（g）N2O4（g）平衡的實驗設計［J］. 化學教學， 2014， （4）： 46～47.

［2］張禮聰. 實驗引領下“沉淀溶解平衡”教學［J］. 化學教學， 2014， （5）： 42～43，46.

［3］杜博， 沈子稚， 肖艷. 基于“證據推理”素養的沉淀溶解平衡教學設計——探究氫氧化鎂處理印染廢水的原理［J］. 化學教學， 2021， （6）： 61～65.

［4］周繼敏， 李銀濤， 王濤等. 通過實驗探究建構科學規律的教學——以“溫度、壓強對化學平衡的影響”為例［J］. 化學教育（中英文）， 2019， 40（9）： 37～40.

［5］鄭萍， 陳明元. 相平衡與CO2在水中的擴散速率［J］. 貴州教育學院學報（自然科學版）， 2004， 15（2）： 70.

［6］陳明元. 中學化學中二氧化碳溶于水的問題［J］. 化學教學， 2014， （9）： 93～94.

*江蘇省中小學教學研究第十四期重點自籌課題（編號2021JY14ZB19）的階段性研究成果。