用传感器研究压强改变的注射器实验的可信度

王蕊 唐增富

摘要： 分析不同时期教材中压强对平衡移动影响实验的演变、存在的问题和提出的质疑。用表面温度传感器测定将注射器压缩至原体积的一半或扩大至原体积的两倍时温度的變化，并通过将盛有相同NO2气体的试管放在不同温度的水中，对比温度对2NO2（g）N2O4（g）平衡体系颜色的影响情况。实验发现，注射器压缩或拉伸过程中温度对体系颜色的变化影响不大，以此说明注射器研究压强对平衡影响的实验结论是可信的。

关键词： 压强对平衡的影响； 注射器； 色度传感器； 表面温度传感器

文章编号： 1005-6629（2024）02-0076-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

用实验探究压强对化学平衡的影响，是中学化学实验的难点之一，原因是适合演示的反应体系比较少。相对而言2NO2（g）N2O4（g）是比较适合的反应体系，一是因为反应体系中的反应物和生成物均是单一气体，体系中物质相对单一；二是反应体系中气体物质的量两边不相同，改变压强平衡将发生移动；三是两气体之一为棕色，平衡移动会引起体系颜色变化便于观察。所以，探究压强对平衡移动的影响一直以这个反应体系作为实验对象。

1 教材中实验的变化

1.1 20世纪80年代教材中实验方案

20世纪80年代使用的高中化学教材（甲种本）［1］中，实验方案如图1所示。将金属铜与浓硝酸反应产生NO2气体，用注射器中吸入一定体积的NO2气体后用橡胶塞塞紧，在注射器中就建立了2NO2（g）N2O4（g）平衡（以下简称NO2平衡体系）。

通过将注射器栓塞迅速推入或拉出并维持位置不变以增大或减小压强，观察注射器中气体颜色的变化，分析得出改变压强后影响平衡移动方向的结论。

但该实验方案存在的最大问题是实验现象不够明显，先加深或先变浅比较容易观察，后变浅或后加深特别是重新平衡后与原平衡的颜色比较难观察，不易分辨。

1.2 上一轮课改教材中的实验方案

由于注射器实验的不足，上一轮课改（上海称二期课改）多版本教材中已不再有压强对平衡影响的实验，但沪科版教材《普通高中教材·化学》高一第二学期（试用本）［2］仍有压强对平衡影响的实验，仍用NO2和N2O4混合气体为实验对象，但实验方案有了变化。实验方案是：室温下将相同体积的、颜色相近的NO2与N2O4的混合气体和Br2蒸气分别注入两只注射器中，压缩或扩大至相同体积，对比两只注射器中气体颜色的深浅，得出压强对平衡移动的影响的实验结论。本实验方案操作比较繁琐，特别是要求混合气体与溴蒸气颜色相近特别难调节，故实验推广差。

1.3 最新教材中的实验方案

根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》最新编写的高中化学教材共有四种版本，对压强影响平衡移动的实验处理方式不尽相同，其中人民教育出版社出版的教材中的实验方案［3］与20世纪80年代教材中的方案很相似。

鲁科版教材［4］中，对压强影响平衡的探究没有用实验研究的方式，而是直接从平衡常数进行分析。苏教版教材［5］中也没有用实验来探究，而是用合成氨反应的一系列数据作为证据，来分析压强对平衡移动的影响。不过，苏教版在教材“拓展视野”栏目中介绍了利用色度传感器探究压强对化学平衡的影响，并附了实验装置和实验结果的图像，如图2所示。

沪科版教材［6］则是引入色度传感器，探究压强对化学平衡的影响，教材呈现的实验装置和实验结果图分别如图3和图4所示。

实验方案是：利用色度传感器，在特定波长下测定NO2平衡体系的颜色。从教材中呈现的实验曲线可以明显地看出，缩小体积以增大气体压强后，混合气体颜色先非常迅速地加深，后缓慢变浅，最终重新达到平衡后，颜色比最初深得多。同样，扩大体积以减小气体压强后，混合气体颜色先非常迅速地变浅，后缓慢加深，最终重新达到平衡后，颜色比最初浅得多。

色度传感器由于能够记录整个实验过程中气体颜色的变化，特别是对“瞬时态”的记录和最终平衡后气体颜色的记录效果非常好。整个过程中气体颜色变化的情况，能够很好地帮助学生认识通过改变体积来改变压强，混合体系的变化由体积变化和平衡移动两个变化过程组成，能够更加全面地理解勒夏特列原理中“减弱这种变化”的真正内涵，一线教师对这个实验的接受度非常高。

2 对注射器实验的质疑

多年来，很多教师对压强如何影响化学平衡的实验开展了大量研究，做了许多尝试，出现了不同的实验改进方案。但大多还是采用注射器对NO2平衡体系改变压强，观察体系颜色变化的实验方案，其他方案教材中鲜有涉及。但对采用注射器改变NO2平衡体系压强，通过观察颜色变化得出结论存在一定的质疑声。如吴国庆提出两种观点：一是观察颜色变化与观察方向有关，如果观察方向不同可能会得出相反的结果；二是在迅速加压过程中会引起温度升高，温度升高也会引起平衡向生成NO2即气体颜色加深的方向变化。同时该文还提出平衡建立过程很快，因此先物理过程的“瞬时态”是个假想过程［7］。

孙文利也分析指出将注射器迅速推进将引起温度变化，温度升高也会使混合气体的平衡朝气体颜色加深的方向移动，最后提出不要采用压缩或拉伸注射器研究压强对平衡移动影响的观点［8］。

不可否认，化学变化是复杂的，一个反应往往会同时引起多个物理量的变化，真正做到控制只有一个变量变化其实很难。比如，反应发生后除了反应物浓度变化外，温度必然也发生变化，真正做到温度绝对不变其实很难。因此，通过实验定性研究某个因素影响时，需要考虑其他因素的影响程度是否可以忽略或者变化的结果主要是由哪个因素影响的结果。例如：0.5mol·L-1氯化铵溶液升温，水解程度增大引起溶液pH减小，水的电离也会使溶液的pH减小，显然水解是主要的。用注射器的压缩或拉伸过程，体系压强改变的同时温度也会改变，那么，温度对体系颜色变化的影响程度有多大，是否可以忽略？

3 注射器压缩过程中物系温度变化的实验研究

3.1 测定注射器压缩过程中物系温度的改变量

为减少压缩过程反应热效应引起温度的改变，我们选择以空气为实验对象，用表面温度计测定将注射器压缩或拉伸后注射器内气体温度的改变量。

方法是：取一只10mL注射器，将表面温度传感器从注射器乳头部位的细孔中穿入注射器的空筒中，在注射器中吸满空气后用熔胶枪将注射器乳头封堵密封，再用橡胶塞密封注射器。将表面温度传感器连接数据采集器，装置如图5所示。

启动应用软件后，迅速压缩注射器至气体体积小于5mL维持注射器栓塞位置不动10s以上，记录过程中气体温度变化情况；再将注射器栓塞迅速拉起来，记录过程中气体温度变化情况。从实验结果看，压缩或拉伸注射器栓塞确实会迅速引起温度变化，但变化值不大，多次实验的结论相近。将注射器气体体积压缩至原体积的一半以下或扩大至原体积的2倍，温度变化大约3～5℃，在维持栓塞位置不变的过程中，温度的变化比较缓慢。

3.2 对比温度影响NO2（g）的平衡情况

将金属铜与浓硝酸反应产生NO2，用两支10mm×100mm的试管分别收集NO2气体后，将两支试管口对口上下颠倒几次，尽可能使两支试管中气体的颜色深浅一致，再分别用橡胶塞塞紧试管，即在两试管中建立了相同的NO2（g）平衡体系。

取两只100mL烧杯，一只烧杯中加入100mL室温下的水，另一只烧杯加入100mL调节至一定温度的热水，将两支盛有NO2的试管分别放入两只烧杯中，如图6所示，从装置正面观察2min内颜色的变化情况，并对比两支试管中气体颜色的深浅差异。

实验结果如表1所示。

实验结论：

当高于室温10℃左右时，试管内气体颜色变化不明显，两支试管内气体颜色的差异不明显。

当高于室温超过20℃时，试管能够观察到气体颜色逐渐加深的过程，浸在热水中的试管，气体颜色比浸在冷水中试管内气体颜色略深。

当高于室温超过40℃时，浸在热水中试管的气体颜色迅速变深，当温度超过50℃时气体颜色变深非常迅速，加深的渐变过程用肉眼很难分辨。

因此，用双球连通管对比温度对平衡的影响时，建议将两球温度差异控制得大些，实验效果比较好，如图6所示。

4 注射器实验结果的可信度分析

从实验情况看，用注射器压缩或拉伸的方式来改变压强，通过观察平衡体系颜色的变化研究压强对2NO2（g）N2O4（g）平衡的影响，虽然过程中会引起温度的变化，但用10mL注射器即便将体积压缩至原体积的一半或扩大至原体积的两倍，气体温度的改变3～5℃左右。这个温度變化范围引起平衡移动导致的气体颜色变化不明显，也不迅速［9］。观察图4的实验结果可以看出，将体积压缩至原体积的一半或扩大至原体积的两倍，开始的瞬间气体颜色的变化非常迅速，几乎没有时间差，将图4的横坐标放大至50s，得图7。

从图7也可以发现开始的瞬间几乎没有时间差，从吸光度的数值看气体颜色至少出现成倍的变化。这样迅速、成倍的变化应该与3～5℃温度改变关系不大，随后可见的颜色变化也应该与温度变化几乎无关。因此用注射器压缩或拉伸，NO2平衡体系颜色的变化，可以认为主要是由压强改变引起的，温度的影响可以忽略。

沪科版新教材［10］中，用色度传感器记录压缩或拉伸注射器时平衡体系吸光度的变化，由实验获得图像将实验现象总结为：先加深（或变浅）后变浅（或加深），重新平衡时比原平衡气体颜色更深（或更浅），作为压强对NO2平衡体系定性影响的实验结论应该是可信的。因此，对曲线图像做进一步的分析，可以帮助学生更好地理解先颜色的迅速改变是物理过程为主，后颜色变化是化学平衡移动的结果。

以往教学中由于没有色度或表面温度传感器等作为监测手段，无法观察或记录到注射器压缩或拉伸过程中瞬间的变化及整个过程的变化情况，对温度的影响效果也没有实验作支撑，仅从理论上进行分析。所以，对用注射器研究压强对NO2（g）平衡体系的影响提出质疑是完全可以理解的。

5 教学建议

在教学中，教师应该引导学生认识在进行科学研究时控制变量是非常重要的研究思想。但一个真实的化学实验往往会受到诸多因素的共同影响，实验中虽然尽可能地控制其他变量不改变，由于反应本身会引起体系自身多个物理量的变化，要保证实验中只有一个变量变化其他变量不发生变化其实很难做到。因此，在实验中对其他变量的变化应该有一个科学的态度，如果其他变量的影响很小，实验结论特别是定性的实验结论还是可以接受的［11］。当然，如果再结合理论计算［12］及相关数据支撑来说明，效果会更好。教学中建议教师在进行实验时，对实验中存在的问题不回避，但须做必要的说明。

从表面温度传感器研究的温度变化看，教材中利用色度传感器的实验，研究压强对NO2（g）平衡体系的影响是可信的。实践表明，实验对学生进一步理解改变体积来改变压强，影响化学平衡的移动及移动后的结果会更有帮助，甚至实验的教学效果比理论计算的教学效果更为理想。

参考文献：

［1］人民教育出版社编写组. 高级中学课本·化学（第二册）［M］. 北京： 人民教育出版社， 1984：82.

［2］姚子鹏主编. 高级中学课本·化学（高一年级第二学期）［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2007：48.

［3］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1化学反应原理）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020：38.

［4］王磊， 陈光巨主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1化学反应原理）［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2019：60.

［5］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1化学反应原理）［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2021：69.

［6］［10］麻生明， 陈寅主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1化学反应原理）［M］. 上海： 上海科学技术出版社， 2021：36.

［7］吴国庆. 关于平衡2NO2N2O4等温压缩引起的颜色变化问题［J］. 化学教育， 1994， （2）： 32～35.

［8］孙文利. 借助数字传感器研究压强对化学平衡影响的不合理性［J］. 中国现代教育装备， 2022， （4）： 29～30.

［9］刘长胜 压强影响2NO2（g）N2O4（g）平衡的实验设计化学教学［J］. 化学教学， 2014， （4）： 46～47.

［11］綦尤娜， 刘璇.NO、 NO2的制备及性质实验装置的组合化设计［J］. 化学教学， 2016， （4）： 78～79.

［12］北京师范大学， 华中师范大学， 南京师范大学. 无机化学（上册第4版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2002： 256.