用氣壓式噴壺探究氣體溶解平衡移動(dòng)的影響因素

宋偉

摘要： 為探究濃度、壓強(qiáng)、溫度對(duì)“CO2（g）CO2（aq）”平衡移動(dòng)的影響，用改裝的氣壓式噴壺制作實(shí)驗(yàn)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(nèi)CO2的濃度、壓強(qiáng)、溫度，用溴百里香酚藍(lán)溶液的變色識(shí)別平衡移動(dòng)。該裝置還能完成三個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)和趣味實(shí)驗(yàn)，具有成本低、易組裝、時(shí)間短、多功能的特點(diǎn)，適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 氣體溶解平衡； 平衡移動(dòng)； 氣壓式噴壺； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2023）11007904 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

化學(xué)平衡是“化學(xué)反應(yīng)原理”部分的重要概念，是發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”的重要載體。同時(shí)，由于化學(xué)平衡的概念具有抽象性，是教學(xué)中的難點(diǎn)，需要實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生直觀感知?；瘜W(xué)平衡可分為“化學(xué)反應(yīng)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(xiàn)針對(duì)“化學(xué)反應(yīng)平衡”和“沉淀溶解平衡”做出改進(jìn)和創(chuàng)新，例如前者有2NO2N2O4反應(yīng)、 Fe3++3SCN-Fe（SCN）3反應(yīng)、 Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+反應(yīng)的平衡移動(dòng)，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(xiàn)設(shè)計(jì)“氣體溶解平衡”的實(shí)驗(yàn)。為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)有周繼敏［4］設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，用壓強(qiáng)傳感器測量注射器中“二氧化碳水”體系在壓縮、負(fù)壓時(shí)的壓強(qiáng)變化，發(fā)現(xiàn)壓縮時(shí)壓強(qiáng)先增大后減小，負(fù)壓時(shí)壓強(qiáng)先減小后增大，以此證明壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響。筆者認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒有排除傳感器示數(shù)波動(dòng)的影響，因?yàn)閭鞲衅髟趬簭?qiáng)突然增大或減小時(shí)，本來就可能有短暫的不穩(wěn)定；而且實(shí)驗(yàn)儀器成本較高。

在常規(guī)課教學(xué)中，教師一般會(huì)用“打開汽水瓶噴出大量泡沫”的生活經(jīng)驗(yàn)證明“壓強(qiáng)變化導(dǎo)致平衡移動(dòng)”，但其實(shí)在打開汽水瓶時(shí)，不僅壓強(qiáng)發(fā)生了變化，氣相二氧化碳濃度也降低了，甚至溫度也會(huì)降低，并沒有達(dá)到“控制變量”的實(shí)驗(yàn)要求，結(jié)論不太嚴(yán)謹(jǐn)。

因此筆者認(rèn)為有必要對(duì)氣體溶解平衡移動(dòng)實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步改進(jìn)，這樣能夠與“化學(xué)反應(yīng)平衡”實(shí)驗(yàn)和“沉淀溶解平衡”實(shí)驗(yàn)共同構(gòu)成“化學(xué)平衡”完整的實(shí)驗(yàn)體系。本文介紹的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱骄繅簭?qiáng)、濃度、溫度對(duì)氣體溶解平衡移動(dòng)的影響，具有低成本、簡單快捷、適合學(xué)生分組動(dòng)手完成的特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)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(xué)反應(yīng)平衡為CO2（aq）+H2O（l）H2CO3（aq），電離平衡（僅考慮一級(jí)電離，二級(jí)電離可忽略）為H2CO3（aq）H+（aq）+HCO-3（aq）。實(shí)際上，氣體溶解占據(jù)主導(dǎo)地位，而與水反應(yīng)、電離都非常微弱。經(jīng)文獻(xiàn)計(jì)算［5］，常溫常壓下CO2（g）溶于水并達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，約99.4%仍然為CO2（aq），只有約0.6%轉(zhuǎn)變?yōu)榱薍2CO3和HCO-3［6］。因此，本實(shí)驗(yàn)只考慮體系內(nèi)的CO2（g）CO2（aq）平衡。

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

3 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：0.1%溴百里香酚藍(lán)溶液，配置方法為稱量0.1g溴百里香酚藍(lán)粉末，先溶于5mL乙醇，然后加入95mL蒸餾水（pH約為7）?？諝猓ê屑s0.03%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(shí)驗(yàn)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(wǎng)購）、導(dǎo)管、氣泡石（直徑應(yīng)小于飲料瓶瓶口）、儲(chǔ)氣囊（可用塑料袋代替）、水槽、塑料白板。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，主要分為三個(gè)部分：加壓噴霧器（包括進(jìn)氣口、出氣口、導(dǎo)管、閥門、打氣筒、活塞、推拉桿等）、飲料瓶、儲(chǔ)氣囊。

首先，對(duì)市場上購買的加壓噴霧器做以下改裝。（1）原本的噴壺進(jìn)氣口沒有導(dǎo)管，這是因?yàn)樵緡妷夭恍枰獨(dú)怏w進(jìn)入溶液。但本實(shí)驗(yàn)中為了加快平衡移動(dòng)的速率、盡快建立新的平衡，不僅在進(jìn)氣口增加一個(gè)伸入液面下方的導(dǎo)管（用實(shí)線表示），還在導(dǎo)管末端連接一個(gè)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(dǎo)管（用虛線表示），這是因?yàn)樵緡妷卦诎磯洪y門后需要讓液體噴出。但本文實(shí)驗(yàn)中需要把瓶內(nèi)氣體噴出，液體不用噴出，因此拆除該導(dǎo)管。

其次，在飲料瓶內(nèi)倒入3～5cm高度的0.1%溴百里香酚藍(lán)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(nèi)充滿空氣，再吹進(jìn)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(shí)，用橡皮筋把袋口箍在打氣筒的進(jìn)氣端，用手捏緊即可。

5 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的步驟、現(xiàn)象和結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)可分為5個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、2個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)和1個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)的目的是探究濃度、壓強(qiáng)、溫度3種條件對(duì)氣體溶解平衡移動(dòng)的影響，這是平衡移動(dòng)教學(xué)的重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)如表1，前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的最終狀態(tài)就是后一個(gè)實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)，因此可以在一個(gè)氣壓式噴壺中一次性完成所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。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(jù)條件變化前后CO2（aq）濃度的變化判斷平衡移動(dòng)的方向。實(shí)驗(yàn)1展示了“二氧化碳水”體系的氣體溶解平衡建立過程，實(shí)驗(yàn)2展示了增大氣體濃度導(dǎo)致平衡正向移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4展示了增大（減?。簭?qiáng)導(dǎo)致平衡正向（逆向）移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)5展示了提高溫度導(dǎo)致平衡逆向移動(dòng)。

6 拓展實(shí)驗(yàn)的步驟、現(xiàn)象和結(jié)論

6.1 拓展實(shí)驗(yàn)1

拓展實(shí)驗(yàn)1的目的是作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，探究充入不參與溶解平衡的氣體對(duì)平衡移動(dòng)的影響，讓學(xué)生更深刻地理解壓強(qiáng)的實(shí)質(zhì)是指氣體分壓。拓展實(shí)驗(yàn)1的步驟為：

（1） 模仿基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)2的步驟，建立平衡狀態(tài)B作為初始狀態(tài)，即瓶內(nèi)處于常壓、室溫、充滿混合氣的狀態(tài)，此時(shí)溶液為綠色。

（2） 用儲(chǔ)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(chǔ)氣囊口固定在打氣筒的進(jìn)氣端。

（3） 關(guān)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(shí)驗(yàn)1的現(xiàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明雖然充入不參與溶解的氣體能夠?qū)е聣簭?qiáng)增大，但二氧化碳的分壓不變，因此平衡不移動(dòng)。

6.2 拓展實(shí)驗(yàn)2

拓展實(shí)驗(yàn)2的目的是探究改變體積對(duì)平衡移動(dòng)的影響，讓學(xué)生理解減小體積實(shí)質(zhì)上也會(huì)增大壓強(qiáng)、造成平衡移動(dòng)。拓展實(shí)驗(yàn)2的步驟為：

（1） 模仿基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)2的步驟，建立平衡狀態(tài)B作為初始狀態(tài)，即瓶內(nèi)處于常壓、室溫、充滿混合氣的狀態(tài)，此時(shí)溶液為綠色。

（2） 關(guān)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(shí)驗(yàn)2的現(xiàn)象是，溶液顏色從綠色變成黃色。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，體積減小能夠?qū)е缕胶庀蛑磻?yīng)方向（總氣體體積減小方向）移動(dòng)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者能夠直觀感受到瓶子捏扁時(shí)內(nèi)部氣壓增大了，因此減小瓶內(nèi)氣體體積，與增大壓強(qiáng)是等效的。

7 趣味實(shí)驗(yàn)的步驟、現(xiàn)象和結(jié)論

趣味實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中顏色變化帶來的樂趣，然后運(yùn)用剛剛學(xué)習(xí)的氣體溶解平衡知識(shí)解釋現(xiàn)象。趣味實(shí)驗(yàn)的步驟為：

（1） 模仿基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3的步驟，建立平衡狀態(tài)C作為初始狀態(tài)，即瓶內(nèi)處于封閉加壓、室溫、充滿混合氣的狀態(tài)，此時(shí)溶液為黃色。

（2） 倒置實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是，瓶內(nèi)黃色的溶液在噴出后，在塑料白板上聚集為藍(lán)色的小水珠。學(xué)生可以用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論來解釋本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象：與瓶內(nèi)溶液相比，水霧噴出后壓強(qiáng)減小，且周圍二氧化碳濃度也減小，這2個(gè)因素都導(dǎo)致平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。此外，師生還可以自己設(shè)計(jì)更多的趣味實(shí)驗(yàn)，例如在環(huán)境中放干冰、使噴出的藍(lán)色溶液變黃等。

8 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 用氣壓式噴壺改裝成實(shí)驗(yàn)裝置，加壓時(shí)不漏氣、成功率高，而且成本很低，網(wǎng)購氣壓式噴壺僅3元/個(gè)。

（2） 在進(jìn)氣導(dǎo)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(shí)驗(yàn)時(shí)間。

（3） 實(shí)驗(yàn)具有集成化的特點(diǎn)，可以用一個(gè)裝置一次性完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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