以溶液色变探究浓度影响化学平衡移动的实验设计

摘要： 多类变色指示剂常用于研究pH、浓度、温度等对化学平衡移动的影响。分析浓度变化影响平衡移动演示实验的教学现状，借助阳离子交换树脂Amberlyst 15和百里酚蓝溶液在不同酸碱性下呈现多种颜色的变化，通过加入氯化钠、氢氧化钠改变溶液的酸碱性，实现“多色多次”溶液变色的视觉效果，演示了溶液浓度对化学平衡移动的影响，优化了实验教学的效果。

关键词： 浓度影响； 平衡移动； 实验设计； 百里酚蓝

文章编号： 1005-6629（2024）06-0080-03 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

1 教材演示实验及相关文献资料

1.1 教材实验分析

化学平衡是高中化学的核心概念，平衡移动实验是高中化学教材选择性必修1《化学反应原理》的必做实验，其教学价值在于通过可观察的实验现象将抽象晦涩的平衡移动概念直观化、显性化地呈现，促进学生对学科知识本体的理解。我们在教学中发现，目前不同版本的高中化学教材“浓度对平衡移动影响”的演示实验或存在如下问题：

人教版［1］教材采用FeCl3溶液和KSCN溶液反应体系，通过增加KSCN溶液浓度、加入铁粉改变平衡移动的方向，实验原理较复杂，教材简化为FeCl3+3KSCNFe（SCN）3+3KCl，增大KSCN浓度，实验现象由浅黄色（水合Fe3+的颜色）变成浅红色，逐渐加深变为血红色［Fe（SCN）3的颜色］。溶液中颜色为红色的离子较多［如Fe（SCN）2+、 Fe（SCN）3-6等］，影响因素也较复杂，加入Fe粉红色变浅，实验体系中的Fe（SCN）3-6、 Fe3+均可能和Fe反应，有学生提出由此现象不能证明平衡发生了逆向移动；鲁科版教材的活动探究［2］设计的实验与人教版类似，苏教版［3］则选择正六价铬元素的两种酸根离子互变平衡体系：Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+，通过滴加HNO3溶液和NaOH溶液改变溶液中H+浓度，使平衡发生移动，但实验中橙色和黄色接近，色差不强。

总之，教材中的经典实验对教师的实验操作能力和学生的观察能力要求较高，实验现象存在色度变化相近、颜色转化时间很短的缺点。隐晦模糊的实验现象不利于概念理论的教学，也不利于培养学生的宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想等学科核心素养。

1.2 文献资料简析

调研了国内外很多文献和教材，发现20多年前国内文献研究浓度影响平衡移动的实验体系较少，大多是对教材原有实验的试剂浓度和仪器的改进；而近十多年来国内外有关化学平衡移动的研究主要聚焦于化学平衡的状态与特征以及外界条件对化学平衡影响的理解和应用上，原因在于学

生尚存在较多的迷思概念，很难从微观的角度来认识平衡的建立过程，从而很难理解平衡状态的动态性与可逆性特点。如

孙彩云在关于紫甘蓝指示剂的研究［4］一文中指出，随着pH的变化紫甘蓝指示剂颜色的变化很多，对紫甘蓝的用量、浓度、配制方法等做了正交试验，确定浓度对显色有影响。李宇风等在pH传感器应用［5］一文中给出了紫甘蓝指示剂显示多种颜色的精确pH。毕晓昀等发表的利用黑枸杞作指示剂的［6］论文，提出pH、温度、浓度等都会影响黑枸杞指示剂的化学平衡移动。郑长龙等发表了一篇专访［7］讨论了对化学平衡的状态及其特征的理解，理清了高中教学中普遍存在的某些误解及迷思概念。

国外文献［8］对化学平衡影响因素实验的设计比较注重趣味性、直观性和有效性。如Eilks［9］等利用阳离子交换树脂Amberlyst 15在不同酸碱性下呈现多种颜色的现象，探究浓度对化学平衡移动的影响。该实验已被广泛地应用于德国高中化学课程中。本文对该实验进行重现并作一定的改进，以飨读者。

2 实验部分

2.1 实验用品

酸性离子交换树脂Amberlyst 15（淘宝网站购买）、百里酚蓝溶液、0.5mol·L-1NaOH溶液、NaCl固体、蒸馏水；直径为25mm的大口径试管、pH计、胶头滴管、试管架等

2.2 实验原理

酸性离子交换树脂Amberlyst 15含有类似硫酸结构的质子化磺酸基，在溶液中可以部分解离，是典型的弱酸（用HX表示）。某些阳离子可以和HX中的质子发生交换，本实验用钠离子与离子交换树脂置换H+、其反应平衡体系可以表示为：XH+Na+H++XNa，交换出的H+引起溶液中pH的变化，通过百里酚蓝指示pH而体现色变，提示了化学平衡的移动。百里酚蓝溶液在不同酸碱度下，酚式结构与醌式结构之间会发生互变异构，产生多种颜色变化，不同pH环境下百里酚蓝结构式与颜色变化如图1所示。

2.3 实验操作和实验现象分析

本实验过程中要测定溶液pH，为了将pH计伸入试管内，可选用直径为25mm的大口径试管，不测溶液pH时则选择普通小试管作为反应容器。实验步骤如下：

（1） 向大口径试管中加入2g酸性离子交换树脂Amberlyst 15，再加蒸馏水约至5cm高度，继续加入大约20滴百里酚蓝溶液，溶液出现黄色；用玻璃棒轻轻搅拌液体，使全部液体均变为黄色（图略），测量并记录pH为4.6，标记该体系为a。

酸性离子交换树脂在水溶液中存在电离过程：HXH++X-，溶液显弱酸性，此时百里酚蓝以B形式存在，故溶液显黄色。

（2） 向体系a中加入4g NaCl固体，溶液的下部观察到颜色变为红色，混合搅拌、静置后全部液体变成红色（图略），测量并记录pH为1.4，标记该体系为b。

加入NaCl固体，溶液中发生如下平衡移动：XH+Na+H++XNa，溶液酸性增强，pH为1．4，此时百里酚蓝以A形式存在，所以溶液显红色。

（3） 向体系b中逐滴加入0.5mol·L-1 NaOH溶液，直到试管上面三分之二的溶液保持深蓝色（图略），测量并记录pH为10.5，标记该体系为c。

加入NaOH溶液，H+浓度降低，百里酚蓝以C形式存在，所以溶液显蓝色。

（4） 用玻璃棒轻轻搅拌体系c中的悬浮液，由下到上分别出现红色、橙色、黄色、蓝色的现象，随着搅拌次数增多，红色和橙色液面不断上升（图略），标记最后体系为e。

不断加入NaOH溶液，平衡XH+Na+H++XNa不断正移，生成的H+随着玻璃棒的搅拌在溶液中缓慢扩散，整个溶液产生不同的pH层次，从而呈现红橙黄蓝颜色梯度变化的现象。

（5） 再用玻璃棒搅拌体系e中固体，蓝色完全消失，试管内溶液均变为红色（图略），测量并记录pH为1.4，标记该体系为f。

溶液中发生平衡移动：XH+Na+H++XNa，溶液酸性再次增强，当pH为1.4时百里酚蓝又以A形式存在，所以溶液又显红色。

（6） 继续向体系f逐滴加0.5mol·L-1 NaOH溶液，相当于从步骤（3）开始重复操作，均能出现上述相同现象；按照以上加量可以重复操作三次实验，第四次加入NaOH溶液充分搅拌后，固体树脂表面的溶液变为红色，余下溶液为黄色，无法再变为红色，记录pH为2．5，标记该体系为g。

2g酸性离子交换树脂Amberlyst 15含有的H+有限，实验中加入NaOH溶液逐渐消耗溶液中的H+，pH上升，溶液显蓝色；同时加入的Na+使平衡XH+Na+H++XNa正移，溶液酸性再次增强，如此循环，直到离子交换树脂中的质子消耗完，溶液最终变为黄色，见体系g。

2.4 实验的教学功能

（1） 实验现象变化多色彩。本实验在不同酸碱性下出现红橙黄蓝等多种美丽的颜色，科学原理简单、变色灵敏、现象直观，方便学生长时间观察，利于突破教学重点、难点和疑点，培养学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

（2） 实验现象可多次出现。操作可重复性、现象可重复性是本实验较其他传统实验的明显优势，学生可以通过简单操作、多次探究、验证、解释浓度变化对平衡移动的影响，在趣味性浓郁的学科实践中学习化学平衡知识，培养学ZVyHDpp1MuuDja8Pn5fMJQ==生基于科学探究的证据推理能力，培养变化观念与平衡思想的学科核心素养。

本实验用于探究化学平衡移动原理的演示实验或者课外拓展实验，有助于学生通过“多色多次”实验现象的观察与思考，建构更加形象、直观理解有关的反应速率和平衡知识，促进对化学重要概念和理论本质的理解。

参考文献：

［1］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学反应原理［M］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 36～37.

［2］王磊， 陈光巨主编. 普通高中教科书·化学反应原理［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2020： 58～59.

［3］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学反应原理［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2021： 65～66.

［4］孙彩云. 紫甘蓝指示剂的制作及变色范围的研究［J］. 化学教学， 2012， （10）： 48～50.

［5］李宇风， 汪洁， 孙可平. pH传感器在测定石蕊和紫甘蓝浸出液酸碱度中的应用［J］. 化学教学， 2019， （2）： 62～64.

［6］毕晓昀， 杨砚宁. 利用黑枸杞的“化学平衡移动”创新实验设计及教学［J］. 化学教学， 2017， （7）： 48～50.

［7］姜显光， 郑长龙. 关于化学平衡学科理解的几个问题——基于一位国内重点大学物理化学教授的访谈资料［J］. 化学教学， 2021， （7）： 88～90.

［8］Davenport J L， Greeno J， et al. Evidence-based approaches to improving chemicalequilibrium instructiong ［J］. Journal of Chemical Educationg， 2014， 91（10）： 1517～1525.

［9］Eilks I， Gulacar O. A colorful demonstration to visualize and inquire into essential elements of chemical equilibrium ［J］. Journal of Chemical Education， 2016， 93（11）： 1904～1907.

*浙江省2023年教研规划课题“杭州探索：提升科学实践能力的高中化学课堂教学研究”（课题编号：G2023033）；浙江省2022年教研规划课题“融合形成性评价的化学课堂教学改进研究”（课题编号：G202213402）；中国化学会化学教育委员会“十三五”规划2020年课题“大概念引领：新人教版高中化学必修课程单元教学模式的构建研究”（课题编号：HJ2020-0022）阶段性研究成果。