由一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考

丁 萍

（江蘇省姜堰中學(xué)江蘇姜堰225500）

由一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考

丁 萍

（江蘇省姜堰中學(xué)江蘇姜堰225500）

對(duì)高中化學(xué)教材中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)提出質(zhì)疑，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)，證明了KCl等固體對(duì)的影響，并通過(guò)理論依據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。

氯化鐵；硫氰化鉀；化學(xué)平衡；離子活度

一、教材設(shè)計(jì)

人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》中關(guān)于化學(xué)平衡的移動(dòng)這一節(jié)的內(nèi)容是這樣設(shè)計(jì)的,通過(guò)實(shí)驗(yàn)改變反應(yīng)物和生成物的濃度,看溶液顏色的變化,從而得出濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響。

課本中以FeCl3+3KSCN?Fe（SCN)3+3KCl的可逆反應(yīng)為研究對(duì)象,通過(guò)改變FeCl3或KSCN的濃度進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn),比較溶液顏色的變化從而得出濃度對(duì)化學(xué)平衡的影響。

二、提出問(wèn)題

如果向平衡體系中加入KCl等固體,使KCl的濃度改變了,對(duì)化學(xué)平衡會(huì)有影響嗎？

通常我們是這樣分析的：根據(jù)勒沙特列原理,改變平衡體系中物質(zhì)的濃度能影響化學(xué)平衡,其前提條件是改變參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度。從表面上看,KCl雖然參與了該反應(yīng),但實(shí)際上,該反應(yīng)的本質(zhì)是Fe3++3SCN-?Fe（SCN)3。因此,加入KCl固體不能影響該化學(xué)平衡體系。

這樣的答案是否正確呢？如果我們加入其他固體,情況又將怎樣呢？我們還是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

三、實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)反應(yīng)物濃度較大時(shí),加入KCl固體對(duì)平衡幾乎無(wú)影響；而在反應(yīng)物濃度較稀時(shí),加入KCl固體使KCl的濃度增大,化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)反應(yīng)物濃度較稀時(shí),加入少量電解質(zhì)對(duì)化學(xué)平衡均有影響。當(dāng)陰離子相同時(shí),鉀鹽對(duì)該平衡的影響比鈉鹽大；當(dāng)陽(yáng)離子相同時(shí),SO42-對(duì)該平衡的影響比Cl-大。

為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果與常規(guī)分析不相符呢？

四、理論解釋

解釋一：其他平衡體系的存在。當(dāng)加入固體KCl時(shí),該體系中還存在著絡(luò)合平衡[1],隨著Cl-濃度的增加,使上述化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),從而導(dǎo)致Fe3+濃度變小,并最終影響Fe（SCN)3的平衡,血紅色變淺。在反應(yīng)物濃度較低時(shí),這種連環(huán)變化比較明顯,當(dāng)反應(yīng)物濃度較大時(shí),這種變化以及由此造成的顏色變化程度不大,也有可能是因?yàn)闈舛仍礁?血紅色越深,肉眼難以識(shí)別顏色的變化。

解釋二：另一重要的影響因素是離子活度。離子活度是指其在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出來(lái)的有效濃度。由于溶液中離子間存在靜電作用（如加入氯化鉀后,Fe3+周圍形成Cl-氛,SCN-周圍形成K+氛),它們的自由運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)活性受到影響,即使得Fe3+和SCN-彼此接觸形成Fe（SCN)3的“機(jī)會(huì)”減少,這樣它們?cè)诜磻?yīng)方程式中表現(xiàn)出的濃度與其真實(shí)濃度（有效濃度)存在著一定差異。溶液中離子的真實(shí)濃度（有效濃度)降低,根據(jù)勒沙特列原理,平衡應(yīng)該向著增加溶液中離子濃度的方向移動(dòng),即加入KCl（強(qiáng)電解質(zhì)),促使Fe（SCN)3解離,平衡逆向移動(dòng)。

下面用具體的計(jì)算式來(lái)說(shuō)明加入不同的強(qiáng)電解質(zhì)對(duì)離子活度的影響。

離子活度ai=γi·ci（γi稱為i離子的活度系數(shù),ci表示第i種離子的平衡濃度),對(duì)于稀溶液（＜0.1mol·L-1)中離子活度系數(shù),可用德拜—休克爾（Debye-Hückel)公式來(lái)計(jì)算[2],

（其中B是常數(shù),25℃時(shí)為0.00328；ao為離子體積參數(shù),約等于水化離子的有效半徑,以pm（10-12m)計(jì)；I為溶液的離子強(qiáng)度)。

加入強(qiáng)電解質(zhì)后,溶液中離子數(shù)、離子濃度顯著增加,使得溶液的離子強(qiáng)度增大。對(duì)于上述的德拜—休克爾（Debye-Hückel)公式可作如下的變換：

我們考慮的是加入的強(qiáng)電解質(zhì)對(duì)Fe3+和SCN-活度的影響,所以對(duì)Fe3+或SCN-而言,式中的Bao為定值,即推得離子強(qiáng)度I與離子活度系數(shù)γi成反比、與離子活度ai成反比。

五、啟示

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們必須尊重事實(shí),尊重科學(xué)。在倡導(dǎo)新課改的今天,我們可以將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的疑問(wèn)提出來(lái),師生共同研究,去查閱相關(guān)資料,進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn),以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),改變學(xué)習(xí)方式,培養(yǎng)創(chuàng)新能力,同時(shí)使得教師的教學(xué)觀念更新和轉(zhuǎn)變,專業(yè)知識(shí)得以鞏固和發(fā)展。

[1]北京師范大學(xué)等無(wú)機(jī)化學(xué)教研室.無(wú)機(jī)化學(xué)（下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2002：168

[2]武漢大學(xué)等.分析化學(xué)（上冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2006：110

1008-0546（2011）10-0082-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.10.041