壓強對化學平衡影響實驗的探究

文章編號：1005－6629(2007)08－0012－02中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

當今我國有多套中學化學新教材引入了用注射器來做“壓強對化學平衡影響”的實驗，如全國發行的蘇教版“實驗化學”選修教材（P59）就以問題探究模式設置了這一實驗內容。在該教材中 “壓強對化學平衡的影響” 實驗的編寫是從學生的原有認知出發，讓他們通過對實驗現象的分析和思考，結合所學理論對實驗條件與現象的關系作出科學的解釋。特別是當用注射器推壓或抽拉NO₂氣體時，產生的顏色變化會受到平衡移動、觀察角度以及熱效應等綜合因素的影響，這會使得學生對于這個看似簡單的實驗，產生驚訝、疑惑、猜測等，并會在尋覓正確答案的過程中，獲得深刻的認識。

事實上，對于蘇教版“實驗化學”教材P59的圖4-10中所繪的注射器中的NO₂顏色深淺之變化，常存在爭議。教材圖示中左側注射器和右側注射器中的氣體顏色較接近，從文字敘述來講，NO₂氣體在壓縮后（其他條件不變），顏色會先變深再變淺，這點沒有疑問。但實驗時若按教材上第59頁的畫法來觀察NO₂顏色的話(即通過注射器弧形外壁直接觀察)，則不僅很難如意看到NO2氣體分子總數量有所減少，相反，到完全平衡時（內部溫度恢復原狀），NO₂顏色反而會變得比壓縮前略深些。這主要與觀察方向有關，因為注射器在壓縮氣體時，壓強增大，使平衡朝體積減少的方向移動，故NO2的分子數減少，而同時隨著注射器內氣體的壓縮，觀察面積也在減少，導致單位面積上觀察到的NO₂分子數比壓縮前反而要多，所以顏色略深。

現以一個對照實驗來作進一步的說明，圖1是該對照實驗的三組實物照片，三組照片是同一對注射器在一起推或拉時拍下的對照照片，每組中的上一支注射器裝有NO₂，下一支裝有Br₂。第一組兩注射器中氣體顏色深度相近，從理論上推算，壓縮后兩者體積相同時，NO₂ 顏色應比Br₂ 要淺，壓縮后NO₂ 顏色也比壓縮前NO₂顏色淺。但從實物照片上可看出壓縮后的氣體（包括NO₂）比沒壓縮時都要深。照片上第三組為兩支注射器抽拉減壓到相同體積，可以看出Br₂的顏色是最淺的，NO₂減壓后顏色比Br₂深些，但比前兩次NO₂ 顏色都淺。理論上，當抽拉時壓強減少，NO₂—N₂O₄平衡體系往體積增大的方向移動，NO₂的分子數增多，顏色應該最深，但是由于抽拉時，觀察面積增大，單位觀察面積上的分子數反而減少，所以顏色反而變得最淡。因此通過注射器弧形外壁直接觀察的方法本身存在著缺陷。對此教師演示時可以用Br₂作對比來校證實驗現象的“異常”。

“實驗化學”教材P59的圖可以說是有意引伸出一些問題和相關的“異常現象”，接著該教材在P60的學生作業欄中，出了一道關于該實驗觀察方法的探討題，題目為：“當進行壓強對化學平衡影響的實驗時，請設想如果在改變壓強的過程中，從注射器的頂端(見下圖)觀察針筒內氣體顏色的變化，可以得到怎樣的結論？與其他的觀察方法比較，那種觀察方法更科學、更合理？為什么？”該探討題與P59的實驗圖前后呼應，出得很有意義。在該題討論中，學生一定要考慮到氣體體積、壓強、溫度等因素與化學平衡的關系，還要考慮到氣體體積變化導致的顏色變化與觀察角度之間的關系，其間還涉及到圓柱體體積及其面積等的計算。當然教師通過圖2的對照實物進行探討和驗證，無疑會起到事半功倍之作用。

該題的正確答案應該是：“用P60圖示的方法（即從注射器頂端，朝活塞方向觀察）是更科學、更合理的。因為注射器內如果裝入的是Br₂（不存在平衡移動），那么壓縮也好，抽拉也好，體積再變，其中的溴分子總數也不變，這些分子通過同一面積（注射器頂端圓形面積不會變）來觀察、比較，顯然顏色也不會有深淺差異，因此通過注射器做壓強對NO₂—N₂O₄平衡體系的影響實驗時，也應選擇觀察面積不變的觀察方式，即從注射器頂端進行觀察，這樣才能明顯地觀察到由于NO₂分子總數的變化而引起的顏色變化，即壓縮顏色變淺，抽拉減壓顏色變深，從而使理論和實際相一致。

當然，教師在組織學生探究上述問題前，可建議學生去查閱相關資料，并仔細分析上述實驗過程，然后再結合實驗時遇到的問題及觀察到的“異常現象”，引導學生提出各種問題和看法。包括由于加壓而產生的熱效應對該平衡造成的影響等問題。這些問題的綜合分析、探究、驗證，無疑會提高學生的各方面能力。