气体压强变化模型建构与应用

广东 游 奕 黎绍亮

对高考二轮复习来说，实验教学复习需要教师关注化学研究的四个维度，即宏观、微观、符号和模型。气体压强及变化作为高考考查内容的重要载体，可借助不同试题情境，聚焦核心价值、学科素养、关键能力和必备知识。

气体压强是指气体对某一点施加的流体静力压强，气体压强产生的原因是大量气体分子对容器壁的持续的、无规则的撞击。气体压强与理想气体状态方程相关，理想气体状态方程的表达式为pVg=ngRT，其中p表示气体压强，Vg表示气体体积，ng表示气体物质的量，T表示气体的热力学温度，R表示理想气体常数。气体压强的变化会直接影响气体的体积、性质以及实验结果的准确性，适宜的体系压强能保证实验顺利进行，因此定性、定量的讨论是非常有必要的。

在近年的高考化学实验试题中气体压强变化问题是高频考点，此类问题不仅考查了学生的必备知识，如实验基础知识、实验基本操作，还考查了学生在真实情境中解决实际问题的关键能力，以及学生化学学科核心素养的发展水平。因此，在二轮复习中，教师不仅要梳理出气体压强的相关问题，更要帮助学生构建气体压强变化模型，溯源本质，并在运用和反思中掌握必备知识，形成关键能力，发展核心素养。

一、“生”气加压模型

根据理想气体状态方程pVg=ngRT，其他条件不变时，若化学反应生成气体，即气体物质的量ng增大，气体压强p增大，可理解为“生”气加压。

1.气球增大

【例1】碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应现象的比较。

按图1要求完成实验：在两支试管中分别加入3 mL稀盐酸，将两个各装有少量等质量的碳酸钠、碳酸氢钠粉末的小气球套在两支试管的管口。将气球内的碳酸钠和碳酸氢钠同时倒入试管中，观察到的实验现象是______________________________________。

图1

【参考答案】两个气球均膨胀，碳酸氢钠与盐酸混合比碳酸钠与盐酸混合生成的气体使气球膨胀得快且体积大

2.玻璃管中液面的变化

【例2】如图2所示，下列叙述正确的是

( )

A.气球胀大，红墨水左移

B.气球缩小，红墨水右移

C.气球胀大，红墨水右移

D.气球缩小，红墨水左移

图2

【参考答案】D

【模型应用理解】过氧化氢在催化剂二氧化锰的作用下，迅速分解产生大量氧气，由于广口瓶密闭，广口瓶内气体体积Vg不变，ng增大，根据理想气体状态方程pVg=ngRT，p增大。瓶内压强增大，则充气气球内的气体被挤压出去，气球缩小，红墨水左移，故选D。

【例3】(2021·天津学来水平等级性考试·15节选)某化学小组同学利用一定浓度的H2O2溶液制备O2，再用O2氧化C2H5OH，并检验氧化产物。

Ⅰ.制备O2

该小组同学设计了如图3气体发生装置(夹持装置省略)

甲

乙

丙

(3)丙装置可用于制备较多O2，催化剂铂丝可上下移动。制备过程中如果体系内压强过大，安全管中的现象是________________，此时可以将铂丝抽离H2O2溶液，还可以采取的安全措施是________________。

【参考答案】液面上升 打开弹簧夹K2

【模型应用理解】丙装置用圆底烧瓶盛装H2O2溶液，可用于制备较多O2，催化剂铂丝上下移动可以控制反应速率。制备过程中产生的O2较多，ng增大，气体压强p增大(其他条件不变时)，体系内压强过大，H2O2溶液会被压入安全管中，可观察到安全管中液面上升，圆底烧瓶中液面小幅下降。此时可以将铂丝抽离H2O2溶液，使反应速率减慢，还可以打开弹簧夹K2，使烧瓶内压强降低。

【例4】(2019·浙江4月选考·28节选)某同学设计如图4装置(气密性已检查)制备Fe(OH)2白色沉淀。请回答：

图4

(2)实验开始时，关闭K2，打开K1，反应一段时间后，再打开K2，关闭K1，发现3中溶液不能进入4中。请为装置作一处改进，使溶液能进入4中：________。

【参考答案】在装置2、3之间添加控制开关

二、“灭”气减压模型

根据理想气体状态方程pVg=ngRT，其他条件不变时，溶液与气体反应或溶解吸收气体，ng减小，气体压强p减小，可理解为“灭”气减压，最常见的是喷泉实验。

【例5】如图5装置中，干燥烧瓶内盛有某种气体，烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压滴管的胶头，下列与实验事实不相符的是

( )

图5

A.CO2(NaHCO3溶液)，无色喷泉

B.NH3(H2O中含酚酞)，红色喷泉

C.H2S(CuSO4溶液)，黑色喷泉

D.HCl(AgNO3溶液)，白色喷泉

【参考答案】A

三、减容增压或增容减压模型

根据理想气体状态方程pVg=ngRT，其他条件不变时，气体体积Vg减小，气体压强p增大，气体体积Vg增大，气体压强p减小，可理解为减容增压，增容减压。

1.排液集气量气(液)法及其要注意的问题

高中阶段的排液集气量气(液)不仅要等气体恢复到室温后再读数，而且要注意使读数装置和集气瓶内液面处于同一高度，后者主要是为了使读数装置内的压强和外界压强一致，也只有气体压强p一致的情况下，才能准确读出气体体积Vg。

【例6】(2020·天津卷·15节选)为测定CuSO4溶液的浓度，甲、乙两同学设计了两个方案。回答下列问题：

Ⅱ.乙方案

实验步骤：

①按图6安装装置(夹持仪器略去)

图6

②检查装置气密性

③在仪器A、B、C、D、E中加入图示的试剂

④调整D、E中两液面相平，使D中液面保持在0或略低于0刻度位置，读数并记录

⑤将CuSO4溶液滴入A中搅拌，反应完成后，再滴加稀硫酸至体系不再有气体产生

⑥待体系恢复到室温，移动E管，保持D、E中两液面相平，读数并记录

⑦处理数据

(9)若步骤⑥E管液面高于D管，未调液面即读数，则测得c(CuSO4)________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。

【参考答案】偏高

【模型应用理解】利用连通器原理，读取读数之前，应对量气管进行的操作为调整量气管高度，使左右两边液面相平。若步骤⑥E管液面高于D管，说明气体的压强p大于大气压，p增大，根据理想气体状态方程pVg=ngRT，所测气体体积Vg偏小，与硫酸反应的锌的质量偏小，与硫酸铜反应的锌的质量偏大，则测得c(CuSO4)偏高。

2.压强对化学平衡的影响

对于有气体参加的可逆反应，当达到平衡时，在其他条件不变的情况下，增大压强(减小容器的容积)会使化学平衡向气体体积缩小的方向移动；减小压强(增大容器的容积)，会使平衡向气体体积增大的方向移动。

( )

图7

A.b点的操作是拉伸注射器

B.d点：v(正)>v(逆)

C.c点与a点相比，c(NO2)增大，c(N2O4)减小

D.若不忽略体系温度变化，且没有能量损失，则温度T(c)>T(d)

【参考答案】D

【模型应用理解】b点时，透光率突然下降，说明c(NO2)突然增大，则操作是压缩注射器，管内容积Vg减小，气体的压强p增大，c(NO2)突然增大，A项错误；d点，透光率下降，则c(NO2)增大，平衡逆向移动，v(正)T(d)，D项正确。

四、升温扩压模型

根据理想气体状态方程pVg=ngRT，其他条件不变时，气体的热力学温度T增大，气体压强p增大，可理解为升温扩压。

以气密性的检验为例，检查装置的气密性有多种方法，原理都是根据装置内外的压强差形成水柱或产生气泡。分析各种检查方法，不论装置如何复杂或者情境如何陌生，都应优先注意检查装置有没有构成密封系统。

【例8】图8所示是一些装置气密性检查的方法，其中正确的是

( )

A

B

C

D

【参考答案】B

【模型应用理解】选项A、C和D中，双手捂住装置，实现温度T升高，p增大，表面看可以检验装置的气密性，但三个装置都与外界空气相通，没有构成密封系统，会使扩容气体直接排放到空气中，无法实现气密性检验，故三者均不正确；而B项中用弹簧夹夹住右边导管，向(左边)长颈漏斗中加入一定量的水，则构成密封系统。长颈漏斗中液面一开始下降，但一段时间后不再下降，即液面高度保持不变，则说明装置气密性良好，故能检查装置气密性，为该题的正确答案。

五、模型综合运用

图9是实验室用于制备和收集一定量较纯净的ClO2的装置(某些夹持装置和垫持用品省略)。其中F中盛有CCl4液体(用于除去ClO2中的未反应的Cl2)。

图9

解答下列有关仪器名称、连接、装置作用等相关问题：

(1)装置A中导管a的作用是________。

(2)装置B可用于暂时储存多余的氯气，实验完毕后，关闭活塞K，B中观察到的现象是________。

(3)装置C的作用是________________；C中所盛试剂是________。

【参考答案】(1)平衡气压，便于液体顺利滴下

(2)集气瓶中液面下降，长颈漏斗b中液面上升，气体呈黄绿色

(3)除去Cl2中混有的HCl，平衡气压，防止气压过大 饱和食盐水

【模型应用理解】(1)装置A中导管a的作用是平衡气压，使装置内的压强和外界压强保持一致，即使液体顺利流下；(2)装置B可用于暂时储存多余的氯气。实验完毕后，关闭活塞K，B中气体物质的量ng增大，气体压强p增大，出现“生”气加压，漏斗内液面顺着导管上升，集气瓶总液面下降，实现储存、收集气体；(3)装置C的作用是可除去氯气中的HCl，且作安全瓶，平衡气压，防止装置C和后面装置气体压强过大；C中所盛试剂是饱和食盐水，吸收氯气中的杂质氯化氢气体。

教师依据本文梳理气体压强变化模型在不同实验情境下的运用，可以帮助学生巩固必备知识pVg=ngRT，以ng、Vg和T的变化类型形成解决问题的关键能力，促进了学生建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律等，也是学生进行深度学习、发展核心素养的必经过程。