壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡影響的實(shí)驗(yàn)探究

摘要： 為探究壓強(qiáng)對(duì)二氧化碳溶解平衡的影響，通過壓縮與抽拉注射器，實(shí)現(xiàn)升壓與降壓的條件變化，借助壓強(qiáng)傳感器，及時(shí)收集與記錄不同條件下氣體的壓強(qiáng)變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，升高壓強(qiáng)，二氧化碳溶解平衡會(huì)向氣體分子數(shù)減小的方向移動(dòng)；降低壓強(qiáng)，二氧化碳溶解平衡會(huì)向氣體分子數(shù)增大的方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單安全，適合學(xué)生進(jìn)行自主探究活動(dòng)，有助于學(xué)生深入理解壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳溶解平衡； 化學(xué)平衡； 壓強(qiáng)傳感器； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）07-0078-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

化學(xué)平衡是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。而在實(shí)際教學(xué)中，化學(xué)平衡的移動(dòng)過程難以從微觀角度表征，原理抽象不易理解。課標(biāo)的“情境素材建議”中提到，化學(xué)平衡影響因素的證據(jù)素材有壓強(qiáng)對(duì)NO2和N2O4平衡影響的數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)［1］。該實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中，有三點(diǎn)不足之處：

（1） 二氧化氮是有毒氣體，操作不當(dāng)容易發(fā)生泄漏，影響實(shí)驗(yàn)者的安全。

（2） 壓縮注射器到指定體積時(shí)，力度不好控制，難以維持活塞在指定位置。

（3） 氣體顏色變化不夠明顯，學(xué)生的觀察更多依賴于主觀感受，非客觀數(shù)據(jù)。

為了讓學(xué)生更容易和更安全地觀察實(shí)驗(yàn)，本研究選擇二氧化碳溶解平衡作為研究對(duì)象，利用注射器與止水夾控制壓強(qiáng)大小，連接數(shù)字傳感器及時(shí)記錄不同條件下的體系壓強(qiáng)變化，數(shù)字化處理數(shù)據(jù)并繪制圖像作進(jìn)一步分析。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 二氧化碳的制備

泡騰片含有碳酸氫鈉和檸檬酸，當(dāng)泡騰片溶于水時(shí)，兩種成分相互接觸，快速產(chǎn)生大量的CO2氣體。

2.2 二氧化碳的溶解

CO2溶于水時(shí)，先后發(fā)生兩個(gè)反應(yīng)：

溶解在水中的CO2大部分以弱的水合分子存在，只有1%～4%的CO2與H2O反應(yīng)生成H2CO3［2］。因此，本實(shí)驗(yàn)主要研究CO2溶于水的第一步反應(yīng)，正方向指氣體溶解，逆方向指氣體釋放，本文以氣體溶解與釋放作反應(yīng)方向的判斷。

2.3 壓強(qiáng)條件控制

用橡膠管連通反應(yīng)容器與注射器，通過壓縮與回拉注射器，實(shí)現(xiàn)升壓與降壓。進(jìn)行升壓與降壓操作后及時(shí)用止水夾夾緊橡膠管，以確保體系壓強(qiáng)條件不變，排除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：CO2泡騰片、蒸餾水

實(shí)驗(yàn)儀器：集氣瓶、100mL注射器、導(dǎo)管、橡膠塞、數(shù)據(jù)采集器、相對(duì)壓強(qiáng)傳感器、平板電腦

實(shí)驗(yàn)裝置：主要分為四個(gè)部分：反應(yīng)裝置、相對(duì)壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器與電腦終端，詳見圖1。本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Origin8.5軟件進(jìn)行作圖分析。

4 實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)分為兩組實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)組1研究壓強(qiáng)改變對(duì)CO2溶解平衡的影響；實(shí)驗(yàn)組2作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，目的為了探究充入不參與溶解平衡的氣體對(duì)平衡移動(dòng)的影響，實(shí)驗(yàn)組2以空氣為例。實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)如表1所示，前一步操作的最終狀態(tài)是后一步操作的初始狀態(tài)，因此在同一實(shí)驗(yàn)中可觀察溶解平衡的建立、升壓與降壓過程中的不同變化。裝置內(nèi)氣體有新產(chǎn)生的CO2和空氣，同一體積下，氣體壓強(qiáng)實(shí)質(zhì)是各氣體的分壓之和，因此通過壓強(qiáng)的大小變化能推斷出CO2濃度的大小變化，進(jìn)而判斷溶解平衡的移動(dòng)方向。

4.1 二氧化碳溶解實(shí)驗(yàn)組（實(shí)驗(yàn)組1）

收集二氧化碳實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖2所示。為方便討論，圖2作簡(jiǎn)要標(biāo)注，詳細(xì)分析見表1。

4.2 空氣對(duì)照組（實(shí)驗(yàn)組2）

空氣中含有N2的體積分?jǐn)?shù)約為78%，O2的體積分?jǐn)?shù)約為21%，常溫常壓下N2難溶于水，O2微溶于水。收集空氣對(duì)照組數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖3，該圖作簡(jiǎn)要標(biāo)注，詳細(xì)分析見表2。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1） 壓縮氣體時(shí)，圖2中B1點(diǎn)產(chǎn)生突躍效應(yīng)的原因：由于CO2是非極性分子，它溶入水的速度較慢［3］，在壓縮過程中氣體產(chǎn)生壓縮熱效應(yīng)，使氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大。在回拉注射器時(shí)，也產(chǎn)生相似效果（見圖2中E1點(diǎn)），體積增大，溫度降低，壓強(qiáng)變小。

（2） 分析B1～D1段下降耗時(shí)長(zhǎng)且幅度小的原因：一是CO2在水中擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-5cm2·s-1［4］，擴(kuò)散阻力很大，溶解速度較慢；二是常溫常壓下，飽和水溶液里CO2的濃度約為0.035mol·L-1［5］，CO2的溶解度不高。因此在相同原理下，降壓時(shí)，E1～G1段也呈現(xiàn)耗時(shí)長(zhǎng)且幅度小的變化。

（3） 圖3有類似的突躍點(diǎn)，如B2和E2。空氣中O2、 N2等也是非極性分子，它溶入水的速度也較慢，同樣這也是由于壓縮氣體，氣體做功，其內(nèi)能增大，使溫度升高所致［6］，氣體壓強(qiáng)增加。可見普通的注射器與外界存在熱傳遞，若能找到絕熱的注射器，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

（4） 對(duì)比兩圖變化，相同操作后，C1～D1段曲線緩慢下降，C2～D2段曲線保持水平不變。C1～D1段下降的原因是壓縮氣體時(shí)，體積減小，壓強(qiáng)增加，CO2溶解平衡向氣體分子數(shù)減小方向移動(dòng)，CO2發(fā)生溶解，氣體壓強(qiáng)逐漸下降。C2～D2段壓強(qiáng)保持不變，說明空氣實(shí)驗(yàn)組不存在平衡移動(dòng)，排除了空氣對(duì)CO2實(shí)驗(yàn)的影響。因此在相同原理下，回拉注射器時(shí)，F(xiàn)1～G1段表現(xiàn)為壓強(qiáng)逐漸上升，F(xiàn)2～G2段壓強(qiáng)保持不變。

4.4 探究二氧化碳溶解速度（拓展實(shí)驗(yàn)）

步驟如下：用同一注射器先后收集相同體積的CO2氣體和蒸餾水，用膠塞封住針口，垂直靜置，觀察活塞下移速度。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：剛開始，活塞沒有明顯變化，經(jīng)過30分鐘，活塞有少許下移，振蕩注射器，下移速度加快。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，CO2在水中的溶解速度較慢。

在探究壓強(qiáng)對(duì)CO2溶解平衡影響的實(shí)驗(yàn)中，由于CO2溶解速度較慢，氣體壓強(qiáng)減小不明顯，當(dāng)進(jìn)行壓縮氣體時(shí)，壓縮熱效應(yīng)使氣體溫度升高，氣體壓強(qiáng)增大，這就出現(xiàn)了像B1點(diǎn)的突躍效果。相同原理下，在升壓時(shí)，CO2溶解平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)，平衡向氣體分子數(shù)減小的方向移動(dòng)，CO2會(huì)發(fā)生溶解，而由于其溶解速度有限，溶解過程需持續(xù)一定時(shí)間，這就出現(xiàn)了像圖2中C1～D1段緩慢下降的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

（1） 對(duì)比教材實(shí)驗(yàn)研究壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)N2O4（g）2NO2（g）的化學(xué)平衡移動(dòng)，由于NO2氣體有毒，不宜用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。CO2是一種安全氣體，其溶解過程符合化學(xué)平衡移動(dòng)的一般規(guī)律，學(xué)生能自主完成實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)際變化，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。

（2） CO2溶解平衡受壓強(qiáng)影響明顯。借助數(shù)字傳感器技術(shù)，收集并處理數(shù)據(jù)，繪制曲線，幫助學(xué)生完成從定性到定量的思維躍遷，提高對(duì)圖像的分析能力。改變壓強(qiáng)前后的曲線變化，一定程度上驗(yàn)證了勒夏特列原理［7］，糾正學(xué)生的迷思概念。

（3） CO2溶解平衡涉及教材中多個(gè)學(xué)習(xí)背景，如侯氏制堿法［8］、海洋酸化、血液的酸堿平衡［9］、呼吸中毒等，本實(shí)驗(yàn)可做補(bǔ)充案例，幫助學(xué)生進(jìn)一步拓展與探究反應(yīng)原理。

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（廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2022年度課題“基于手持技術(shù)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：202214287）的研究成果。）