基于DIS實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)的限度

馬曉君 謝天華

摘 要：以氯化鐵和碘化鉀溶液反應(yīng)為例，采用數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（簡稱DIS），利用混濁度傳感器和分光光度計(jì)分別探究化學(xué)反應(yīng)限度的存在和化學(xué)反應(yīng)限度的變化，以曲線和數(shù)據(jù)的形式更好地詮釋化學(xué)反應(yīng)的限度。

關(guān)鍵詞：混濁度傳感器；分光光度計(jì)；化學(xué)反應(yīng)限度

一、問題的由來

化學(xué)反應(yīng)的限度是高中化學(xué)重要的理論性知識(shí)?，F(xiàn)行教材中雖有相關(guān)探究性實(shí)驗(yàn)，多以反應(yīng)體系物質(zhì)顏色改變?yōu)槌霭l(fā)點(diǎn)，由于顏色改變較為復(fù)雜而呈現(xiàn)效果不佳，結(jié)論不夠科學(xué)、縝密。教學(xué)中為增強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)限度的理性認(rèn)識(shí)，讓探究性實(shí)驗(yàn)直觀有效，且能夠定量、嚴(yán)謹(jǐn)，筆者設(shè)計(jì)了基于DIS實(shí)驗(yàn)用來探究化學(xué)反應(yīng)的限度。

二、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器：LabQuest數(shù)據(jù)采集器、Logger Pro3.8.6數(shù)據(jù)采集軟件、Vernier混濁度傳感器（TRB-BAT）、U-4100紫外-可見分光光度計(jì)、1000μL與100μL移液槍、石英比色皿、5ml滴管、2 ml滴管。

試劑：0.1 mol·L-1 FeCl3溶液、0.1 mol·L-1KI溶液、1 mol·L-1FeCl3溶液、0.1 mmol·L-1FeCl3溶液、0.1 mmol·L-1KI溶液、0.01 mol·L-1FeCl3溶液

三、實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)1：利用混濁度傳感器探究化學(xué)反應(yīng)的限度

（1）實(shí)驗(yàn)原理：FeCl3溶液與KI溶液反應(yīng)生成FeCl2和I2，介于I2難溶于水，利用混濁度傳感器測量溶液充分反應(yīng)后的混濁度變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。改變某一反應(yīng)物濃度，再次測量混濁度變化數(shù)據(jù)，通過對比兩次溶液混濁度的變化，認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)反應(yīng)的限度的存在和變化。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器裝置及儀器的組裝：將數(shù)據(jù)采集器分別連接電腦和混濁度傳感器。

（3）實(shí)驗(yàn)操作：

①向比色瓶中加入6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液和6 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液，充分反應(yīng)后，將比色瓶放入混濁度傳感器，開啟數(shù)據(jù)采集軟件，測量并記錄此時(shí)溶液的混濁度。

②關(guān)閉數(shù)據(jù)采集軟件，再向比色瓶中加入2 mL 1 mol·L-1FeCl3溶液，再次開啟數(shù)據(jù)采集軟件，測量并記錄溶液混濁度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)2：利用紫外-可見分光光度計(jì)探究化學(xué)反應(yīng)的限度

（1）實(shí)驗(yàn)原理：利用紫外-可見分光光度計(jì)，以超純水為參比、以反應(yīng)液為實(shí)驗(yàn)組掃描I2的吸收峰。通過連續(xù)測定多組FeCl3和KI溶液反應(yīng)后混合液中I2的吸收峰，探究化學(xué)反應(yīng)限度的變化。

（2）實(shí)驗(yàn)操作：

①以超純水為參比、以超純水為空白組作基線（掃描波長區(qū)間200nm-800nm，下同）

②用移液槍往比色皿依次加入0.1 mmol·L-1FeCl3溶液和0.1 mmol·L-1KI溶液各1 mL，反應(yīng)2min后以超純水為參比、以反應(yīng)液為實(shí)驗(yàn)組掃描（225nm左右為碘的吸收峰）。

③用移液槍向比色皿里平行加入三次10μL 0.01 mol·L-1FeCl3溶液，以超純水為參比、以反應(yīng)液為實(shí)驗(yàn)組掃描。

四、實(shí)驗(yàn)曲線、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)一：6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液和6 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液混合，且充分反應(yīng)后，溶液的混濁度穩(wěn)定在28.1NTU，向混合體系中加入2 mL 1 mol·L-1FeCl3溶液，溶液的混濁度略有降低（原溶液被稀釋，溶液的混濁度降低）。66s后溶液混濁度開始增大（I2的量增加，溶液的混濁度增大），直至175s時(shí)達(dá)到123.6NTU，175s后液的混濁度開始降低（I2的量增加和I2顆粒變大發(fā)生沉降，混濁度降低），最后穩(wěn)定在80.1NTU（圖1）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過利用混濁度傳感器對反應(yīng)過程中混濁度的測量，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe3+和I-以1∶1反應(yīng)后的體系是一個(gè)反應(yīng)物、生成物共存的體系，反應(yīng)物不能完全轉(zhuǎn)化，存在反應(yīng)的限度，當(dāng)改變外界條件時(shí)化學(xué)反應(yīng)的限度也發(fā)生改變。

（2）實(shí)驗(yàn)二：利用紫外-可見分光光度計(jì)，以超純水為參比、以反應(yīng)液為實(shí)驗(yàn)組掃描I2的吸收峰，I2的吸收峰位于225nm左右處。通過平行加入三次10μL 0.01 mol·L-1FeCl3溶液，I2的吸光度不斷增大（圖2），說明I2的量不斷增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過測量幾組I2的吸收光譜曲線可以得出，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡后，改變外界條件，化學(xué)反應(yīng)的限度發(fā)生改變，且在新條件下建立新的平衡。同時(shí)如果不斷地改變外界條件，化學(xué)平衡就會(huì)不斷地移動(dòng)，反應(yīng)的限度也會(huì)不斷地改變。因此平衡是相對于變化的平衡，變化是相對于平衡的變化，充分地體現(xiàn)化學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)的平衡。

五、創(chuàng)新（改進(jìn)）的意義

（1）運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)的限度，將傳統(tǒng)的肉眼觀察變?yōu)楦又庇^的數(shù)據(jù)和曲線，通過數(shù)據(jù)和曲線表征呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)限度的存在和變化更加直觀準(zhǔn)確、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

（2）DIS實(shí)驗(yàn)集數(shù)據(jù)采集、分析于一體，將動(dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)平衡以動(dòng)態(tài)的曲線和數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)出來，更加定量、實(shí)時(shí)，可認(rèn)知性更強(qiáng)。

編輯 馮志強(qiáng)