基于DIS實驗探究化學反應的限度

馬曉君 謝天華

摘 要：以氯化鐵和碘化鉀溶液反應為例，采用數字化信息實驗系統（簡稱DIS），利用混濁度傳感器和分光光度計分別探究化學反應限度的存在和化學反應限度的變化，以曲線和數據的形式更好地詮釋化學反應的限度。

關鍵詞：混濁度傳感器；分光光度計；化學反應限度

一、問題的由來

化學反應的限度是高中化學重要的理論性知識。現行教材中雖有相關探究性實驗，多以反應體系物質顏色改變為出發點，由于顏色改變較為復雜而呈現效果不佳，結論不夠科學、縝密。教學中為增強學生對化學反應限度的理性認識，讓探究性實驗直觀有效，且能夠定量、嚴謹，筆者設計了基于DIS實驗用來探究化學反應的限度。

二、實驗儀器及試劑

儀器：LabQuest數據采集器、Logger Pro3.8.6數據采集軟件、Vernier混濁度傳感器（TRB-BAT）、U-4100紫外-可見分光光度計、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、實驗方案及實驗步驟

實驗1：利用混濁度傳感器探究化學反應的限度

（1）實驗原理：FeCl3溶液與KI溶液反應生成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后的混濁度變化的實時數據。改變某一反應物濃度，再次測量混濁度變化數據，通過對比兩次溶液混濁度的變化，認識和理解化學反應的限度的存在和變化。

（2）實驗儀器裝置及儀器的組裝：將數據采集器分別連接電腦和混濁度傳感器。

（3）實驗操作：

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，充分反應后，將比色瓶放入混濁度傳感器，開啟數據采集軟件，測量并記錄此時溶液的混濁度。

②關閉數據采集軟件，再向比色瓶中加入2 mL 1 mol·L-1FeCl3溶液，再次開啟數據采集軟件，測量并記錄溶液混濁度的實時數據。

實驗2：利用紫外-可見分光光度計探究化學反應的限度

（1）實驗原理：利用紫外-可見分光光度計，以超純水為參比、以反應液為實驗組掃描I2的吸收峰。通過連續測定多組FeCl3和KI溶液反應后混合液中I2的吸收峰，探究化學反應限度的變化。

（2）實驗操作：

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2min后以超純水為參比、以反應液為實驗組掃描（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、以反應液為實驗組掃描。

四、實驗曲線、數據分析和結論

（1）實驗一：6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液和6 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液混合，且充分反應后，溶液的混濁度穩定在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時達到123.6NTU，175s后液的混濁度開始降低（I2的量增加和I2顆粒變大發生沉降，混濁度降低），最后穩定在80.1NTU（圖1）。

實驗結論：通過利用混濁度傳感器對反應過程中混濁度的測量，不難發現，當Fe3+和I-以1∶1反應后的體系是一個反應物、生成物共存的體系，反應物不能完全轉化，存在反應的限度，當改變外界條件時化學反應的限度也發生改變。

（2）實驗二：利用紫外-可見分光光度計，以超純水為參比、以反應液為實驗組掃描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。

實驗結論：通過測量幾組I2的吸收光譜曲線可以得出，當可逆反應達到平衡后，改變外界條件，化學反應的限度發生改變，且在新條件下建立新的平衡。同時如果不斷地改變外界條件，化學平衡就會不斷地移動，反應的限度也會不斷地改變。因此平衡是相對于變化的平衡，變化是相對于平衡的變化，充分地體現化學平衡是一種動態的平衡。

五、創新（改進）的意義

（1）運用DIS實驗探究化學反應的限度，將傳統的肉眼觀察變為更加直觀的數據和曲線，通過數據和曲線表征呈現化學反應限度的存在和變化更加直觀準確、科學嚴謹。

（2）DIS實驗集數據采集、分析于一體，將動態的化學反應過程和化學平衡以動態的曲線和數據變化呈現出來，更加定量、實時，可認知性更強。

編輯 馮志強