以溶液色變探究濃度影響化學(xué)平衡移動的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘要： 多類變色指示劑常用于研究pH、濃度、溫度等對化學(xué)平衡移動的影響。分析濃度變化影響平衡移動演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀，借助陽離子交換樹脂Amberlyst 15和百里酚藍(lán)溶液在不同酸堿性下呈現(xiàn)多種顏色的變化，通過加入氯化鈉、氫氧化鈉改變?nèi)芤旱乃釅A性，實(shí)現(xiàn)“多色多次”溶液變色的視覺效果，演示了溶液濃度對化學(xué)平衡移動的影響，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞： 濃度影響； 平衡移動； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 百里酚藍(lán)

文章編號： 1005-6629（2024）06-0080-03 中圖分類號： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 教材演示實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料

1.1 教材實(shí)驗(yàn)分析

化學(xué)平衡是高中化學(xué)的核心概念，平衡移動實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教材選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》的必做實(shí)驗(yàn)，其教學(xué)價值在于通過可觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將抽象晦澀的平衡移動概念直觀化、顯性化地呈現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生對學(xué)科知識本體的理解。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，目前不同版本的高中化學(xué)教材“濃度對平衡移動影響”的演示實(shí)驗(yàn)或存在如下問題：

人教版［1］教材采用FeCl3溶液和KSCN溶液反應(yīng)體系，通過增加KSCN溶液濃度、加入鐵粉改變平衡移動的方向，實(shí)驗(yàn)原理較復(fù)雜，教材簡化為FeCl3+3KSCNFe（SCN）3+3KCl，增大KSCN濃度，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由淺黃色（水合Fe3+的顏色）變成淺紅色，逐漸加深變?yōu)檠t色［Fe（SCN）3的顏色］。溶液中顏色為紅色的離子較多［如Fe（SCN）2+、 Fe（SCN）3-6等］，影響因素也較復(fù)雜，加入Fe粉紅色變淺，實(shí)驗(yàn)體系中的Fe（SCN）3-6、 Fe3+均可能和Fe反應(yīng)，有學(xué)生提出由此現(xiàn)象不能證明平衡發(fā)生了逆向移動；魯科版教材的活動探究［2］設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與人教版類似，蘇教版［3］則選擇正六價鉻元素的兩種酸根離子互變平衡體系：Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+，通過滴加HNO3溶液和NaOH溶液改變?nèi)芤褐蠬+濃度，使平衡發(fā)生移動，但實(shí)驗(yàn)中橙色和黃色接近，色差不強(qiáng)。

總之，教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)對教師的實(shí)驗(yàn)操作能力和學(xué)生的觀察能力要求較高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在色度變化相近、顏色轉(zhuǎn)化時間很短的缺點(diǎn)。隱晦模糊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不利于概念理論的教學(xué)，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.2 文獻(xiàn)資料簡析

調(diào)研了國內(nèi)外很多文獻(xiàn)和教材，發(fā)現(xiàn)20多年前國內(nèi)文獻(xiàn)研究濃度影響平衡移動的實(shí)驗(yàn)體系較少，大多是對教材原有實(shí)驗(yàn)的試劑濃度和儀器的改進(jìn)；而近十多年來國內(nèi)外有關(guān)化學(xué)平衡移動的研究主要聚焦于化學(xué)平衡的狀態(tài)與特征以及外界條件對化學(xué)平衡影響的理解和應(yīng)用上，原因在于學(xué)

生尚存在較多的迷思概念，很難從微觀的角度來認(rèn)識平衡的建立過程，從而很難理解平衡狀態(tài)的動態(tài)性與可逆性特點(diǎn)。如

孫彩云在關(guān)于紫甘藍(lán)指示劑的研究［4］一文中指出，隨著pH的變化紫甘藍(lán)指示劑顏色的變化很多，對紫甘藍(lán)的用量、濃度、配制方法等做了正交試驗(yàn)，確定濃度對顯色有影響。李宇風(fēng)等在pH傳感器應(yīng)用［5］一文中給出了紫甘藍(lán)指示劑顯示多種顏色的精確pH。畢曉昀等發(fā)表的利用黑枸杞作指示劑的［6］論文，提出pH、溫度、濃度等都會影響黑枸杞指示劑的化學(xué)平衡移動。鄭長龍等發(fā)表了一篇專訪［7］討論了對化學(xué)平衡的狀態(tài)及其特征的理解，理清了高中教學(xué)中普遍存在的某些誤解及迷思概念。

國外文獻(xiàn)［8］對化學(xué)平衡影響因素實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)比較注重趣味性、直觀性和有效性。如Eilks［9］等利用陽離子交換樹脂Amberlyst 15在不同酸堿性下呈現(xiàn)多種顏色的現(xiàn)象，探究濃度對化學(xué)平衡移動的影響。該實(shí)驗(yàn)已被廣泛地應(yīng)用于德國高中化學(xué)課程中。本文對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重現(xiàn)并作一定的改進(jìn)，以饗讀者。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

酸性離子交換樹脂Amberlyst 15（淘寶網(wǎng)站購買）、百里酚藍(lán)溶液、0.5mol·L-1NaOH溶液、NaCl固體、蒸餾水；直徑為25mm的大口徑試管、pH計(jì)、膠頭滴管、試管架等

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

酸性離子交換樹脂Amberlyst 15含有類似硫酸結(jié)構(gòu)的質(zhì)子化磺酸基，在溶液中可以部分解離，是典型的弱酸（用HX表示）。某些陽離子可以和HX中的質(zhì)子發(fā)生交換，本實(shí)驗(yàn)用鈉離子與離子交換樹脂置換H+、其反應(yīng)平衡體系可以表示為：XH+Na+H++XNa，交換出的H+引起溶液中pH的變化，通過百里酚藍(lán)指示pH而體現(xiàn)色變，提示了化學(xué)平衡的移動。百里酚藍(lán)溶液在不同酸堿度下，酚式結(jié)構(gòu)與醌式結(jié)構(gòu)之間會發(fā)生互變異構(gòu)，產(chǎn)生多種顏色變化，不同pH環(huán)境下百里酚藍(lán)結(jié)構(gòu)式與顏色變化如圖1所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

本實(shí)驗(yàn)過程中要測定溶液pH，為了將pH計(jì)伸入試管內(nèi)，可選用直徑為25mm的大口徑試管，不測溶液pH時則選擇普通小試管作為反應(yīng)容器。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1） 向大口徑試管中加入2g酸性離子交換樹脂Amberlyst 15，再加蒸餾水約至5cm高度，繼續(xù)加入大約20滴百里酚藍(lán)溶液，溶液出現(xiàn)黃色；用玻璃棒輕輕攪拌液體，使全部液體均變?yōu)辄S色（圖略），測量并記錄pH為4.6，標(biāo)記該體系為a。

酸性離子交換樹脂在水溶液中存在電離過程：HXH++X-，溶液顯弱酸性，此時百里酚藍(lán)以B形式存在，故溶液顯黃色。

（2） 向體系a中加入4g NaCl固體，溶液的下部觀察到顏色變?yōu)榧t色，混合攪拌、靜置后全部液體變成紅色（圖略），測量并記錄pH為1.4，標(biāo)記該體系為b。

加入NaCl固體，溶液中發(fā)生如下平衡移動：XH+Na+H++XNa，溶液酸性增強(qiáng)，pH為1．4，此時百里酚藍(lán)以A形式存在，所以溶液顯紅色。

（3） 向體系b中逐滴加入0.5mol·L-1 NaOH溶液，直到試管上面三分之二的溶液保持深藍(lán)色（圖略），測量并記錄pH為10.5，標(biāo)記該體系為c。

加入NaOH溶液，H+濃度降低，百里酚藍(lán)以C形式存在，所以溶液顯藍(lán)色。

（4） 用玻璃棒輕輕攪拌體系c中的懸浮液，由下到上分別出現(xiàn)紅色、橙色、黃色、藍(lán)色的現(xiàn)象，隨著攪拌次數(shù)增多，紅色和橙色液面不斷上升（圖略），標(biāo)記最后體系為e。

不斷加入NaOH溶液，平衡XH+Na+H++XNa不斷正移，生成的H+隨著玻璃棒的攪拌在溶液中緩慢擴(kuò)散，整個溶液產(chǎn)生不同的pH層次，從而呈現(xiàn)紅橙黃藍(lán)顏色梯度變化的現(xiàn)象。

（5） 再用玻璃棒攪拌體系e中固體，藍(lán)色完全消失，試管內(nèi)溶液均變?yōu)榧t色（圖略），測量并記錄pH為1.4，標(biāo)記該體系為f。

溶液中發(fā)生平衡移動：XH+Na+H++XNa，溶液酸性再次增強(qiáng)，當(dāng)pH為1.4時百里酚藍(lán)又以A形式存在，所以溶液又顯紅色。

（6） 繼續(xù)向體系f逐滴加0.5mol·L-1 NaOH溶液，相當(dāng)于從步驟（3）開始重復(fù)操作，均能出現(xiàn)上述相同現(xiàn)象；按照以上加量可以重復(fù)操作三次實(shí)驗(yàn)，第四次加入NaOH溶液充分?jǐn)嚢韬?，固體樹脂表面的溶液變?yōu)榧t色，余下溶液為黃色，無法再變?yōu)榧t色，記錄pH為2．5，標(biāo)記該體系為g。

2g酸性離子交換樹脂Amberlyst 15含有的H+有限，實(shí)驗(yàn)中加入NaOH溶液逐漸消耗溶液中的H+，pH上升，溶液顯藍(lán)色；同時加入的Na+使平衡XH+Na+H++XNa正移，溶液酸性再次增強(qiáng)，如此循環(huán)，直到離子交換樹脂中的質(zhì)子消耗完，溶液最終變?yōu)辄S色，見體系g。

2.4 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能

（1） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化多色彩。本實(shí)驗(yàn)在不同酸堿性下出現(xiàn)紅橙黃藍(lán)等多種美麗的顏色，科學(xué)原理簡單、變色靈敏、現(xiàn)象直觀，方便學(xué)生長時間觀察，利于突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)和疑點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可多次出現(xiàn)。操作可重復(fù)性、現(xiàn)象可重復(fù)性是本實(shí)驗(yàn)較其他傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的明顯優(yōu)勢，學(xué)生可以通過簡單操作、多次探究、驗(yàn)證、解釋濃度變化對平衡移動的影響，在趣味性濃郁的學(xué)科實(shí)踐中學(xué)習(xí)化學(xué)平衡知識，培養(yǎng)學(xué)ZVyHDpp1MuuDja8Pn5fMJQ==生基于科學(xué)探究的證據(jù)推理能力，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想的學(xué)科核心素養(yǎng)。

本實(shí)驗(yàn)用于探究化學(xué)平衡移動原理的演示實(shí)驗(yàn)或者課外拓展實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生通過“多色多次”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與思考，建構(gòu)更加形象、直觀理解有關(guān)的反應(yīng)速率和平衡知識，促進(jìn)對化學(xué)重要概念和理論本質(zhì)的理解。

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*浙江省2023年教研規(guī)劃課題“杭州探索：提升科學(xué)實(shí)踐能力的高中化學(xué)課堂教學(xué)研究”（課題編號：G2023033）；浙江省2022年教研規(guī)劃課題“融合形成性評價的化學(xué)課堂教學(xué)改進(jìn)研究”（課題編號：G202213402）；中國化學(xué)會化學(xué)教育委員會“十三五”規(guī)劃2020年課題“大概念引領(lǐng)：新人教版高中化學(xué)必修課程單元教學(xué)模式的構(gòu)建研究”（課題編號：HJ2020-0022）階段性研究成果。