化学：化学实验设计压强对化学平衡影响实验的探究

当今我国有多套中学化学新教材引入了用注射器来做“压强对化学平衡影响”的实验，如全国发行的苏教版“实验化学”选修教材(P59)就以问题探究模式设置了这一实验内容。在该教材中“压强对化学平衡的影响”实验的编写是从学生的原有认知出发，让他们通过对实验现象的分析和思考，结合所学理论对实验条件与现象的关系作出科学的解释。特别是当用注射器推压或抽拉NO2气体时，产生的颜色变化会受到平衡移动、观察角度以及热效应等综合因素的影响，这会使得学生对于这个看似简单的实验，产生惊讶、疑惑、猜测等，并会在寻觅正确答案的过程中，获得深刻的认识。

事实上，对于苏教版“实验化学”教材P59的图4-10中所绘的注射器中的NO2颜色深浅之变化，常存在争议。教材图示中左侧注射器和右侧注射器中的气体颜色较接近，从文字叙述来讲，NO2气体在压缩后(其他条件不变)，颜色会先变深再变浅，这点没有疑问。但实验时若按教材上第59页的画法来观察NO2颜色的话(即通过注射器弧形外壁直接观察)，则不仅很难如意看到NO2气体分子总数量有所减少，相反，到完全平衡时(内部温度恢复原状)，NO2颜色反而会变得比压缩前略深些。这主要与观察方向有关，因为注射器在压缩气体时，压强增大，使平衡朝体积减少的方向移动，故NO2的分子数减少，而同时随着注射器内气体的压缩，观察面积也在减少，导致单位面积上观察到的NO2分子数比压缩前反而要多，所以颜色略深。

现以一个对照实验来作进一步的说明，图1是该对照实验的三组实物照片，三组照片是同一对注射器在一起推或拉时拍下的对照照片，每组中的上一支注射器装有NO2，下一支装有Br2。第一组两注射器中气体颜色深度相近，从理论上推算，压缩后两者体积相同时，NO2颜色应比Br2要浅，压缩后NO2颜色也比压缩前NO2颜色浅。但从实物照片上可看出压缩后的气体(包括NO2)比没压缩时都要深。照片上第三组为两支注射器抽拉减压到相同体积，可以看出Br2的颜色是最浅的，NO2减压后颜色比Br2深些，但比前两次NO2颜色都浅。理论上，当抽拉时压强减少，NO2—N2O4平衡体系往体积增大的方向移动，NO2的分子数增多，颜色应该最深，但是由于抽拉时，观察面积增大，单位观察面积上的分子数反而减少，所以颜色反而变得最淡。

因此通过注射器弧形外壁直接观察的方法本身存在着缺陷。对此教师演示时可以用Br2作对比来校证实验现象的“异常”。





“实验化学”教材P59的图可以说是有意引伸出一些问题和相关的“异常现象”，接着该教材在P60的学生作业栏中，出了一道关于该实验观察方法的探讨题，题目为:“当进行压强对化学平衡影响的实验时，请设想如果在改变压强的过程中，从注射器的顶端(见下图)观察针筒内气体颜色的变化，可以得到怎样的结论?与其他的观察方法比较，那种观察方法更科学、更合理?为什么?”该探讨题与P59的实验图前后呼应，出得很有意义。

在该题讨论中，学生一定要考虑到气体体积、压强、温度等因素与化学平衡的关系，还要考虑到气体体积变化导致的颜色变化与观察角度之间的关系，其间还涉及到圆柱体体积及其面积等的计算。

当然教师通过图2的对照实物进行探讨和验证，无疑会起到事半功倍之作用。




该题的正确答案应该是:“用P60图示的方法(即从注射器顶端，朝活塞方向观察)是更科学、更合理的。因为注射器内如果装入的是Br2(不存在平衡移动)，那么压缩也好，抽拉也好，体积再变，其中的溴分子总数也不变，这些分子通过同一面积(注射器顶端圆形面积不会变)来观察、比较，显然颜色也不会有深浅差异，因此通过注射器做压强对NO2—N2O4平衡体系的影响实验时，也应选择观察面积不变的观察方式，即从注射器顶端进行观察，这样才能明显地观察到由于NO2分子总数的变化而引起的颜色变化，即压缩颜色变浅，抽拉减压颜色变深，从而使理论和实际相一致。

当然，教师在组织学生探究上述问题前，可建议学生去查阅相关资料，并仔细分析上述实验过程，然后再结合实验时遇到的问题及观察到的“异常现象”，引导学生提出各种问题和看法。包括由于加压而产生的热效应对该平衡造成的影响等问题。这些问题的综合分析、探究、验证，无疑会提高学生的各方面能力。