压强对化学平衡影响的实验探究

摘要： 为探究压强对二氧化碳溶解平衡的影响，通过压缩与抽拉注射器，实现升压与降压的条件变化，借助压强传感器，及时收集与记录不同条件下气体的压强变化。从实验结果可知，升高压强，二氧化碳溶解平衡会向气体分子数减小的方向移动；降低压强，二氧化碳溶解平衡会向气体分子数增大的方向移动。实验操作简单安全，适合学生进行自主探究活动，有助于学生深入理解压强对化学平衡的影响规律。

关键词： 二氧化碳溶解平衡； 化学平衡； 压强传感器； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2024）07-0078-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题提出

化学平衡是高中化学教学的重点内容之一。而在实际教学中，化学平衡的移动过程难以从微观角度表征，原理抽象不易理解。课标的“情境素材建议”中提到，化学平衡影响因素的证据素材有压强对NO2和N2O4平衡影响的数字传感器实验［1］。该实验在实际操作中，有三点不足之处：

（1） 二氧化氮是有毒气体，操作不当容易发生泄漏，影响实验者的安全。

（2） 压缩注射器到指定体积时，力度不好控制，难以维持活塞在指定位置。

（3） 气体颜色变化不够明显，学生的观察更多依赖于主观感受，非客观数据。

为了让学生更容易和更安全地观察实验，本研究选择二氧化碳溶解平衡作为研究对象，利用注射器与止水夹控制压强大小，连接数字传感器及时记录不同条件下的体系压强变化，数字化处理数据并绘制图像作进一步分析。

2 实验原理

2.1 二氧化碳的制备

泡腾片含有碳酸氢钠和柠檬酸，当泡腾片溶于水时，两种成分相互接触，快速产生大量的CO2气体。

2.2 二氧化碳的溶解

CO2溶于水时，先后发生两个反应：

溶解在水中的CO2大部分以弱的水合分子存在，只有1%～4%的CO2与H2O反应生成H2CO3［2］。因此，本实验主要研究CO2溶于水的第一步反应，正方向指气体溶解，逆方向指气体释放，本文以气体溶解与释放作反应方向的判断。

2.3 压强条件控制

用橡胶管连通反应容器与注射器，通过压缩与回拉注射器，实现升压与降压。进行升压与降压操作后及时用止水夹夹紧橡胶管，以确保体系压强条件不变，排除无关变量对实验数据的影响。

3 实验试剂与仪器

实验药品：CO2泡腾片、蒸馏水

实验仪器：集气瓶、100mL注射器、导管、橡胶塞、数据采集器、相对压强传感器、平板电脑

实验装置：主要分为四个部分：反应装置、相对压强传感器、数据采集器与电脑终端，详见图1。本次实验所得数据用Origin8.5软件进行作图分析。

4 实验步骤、结果与讨论

本实验分为两组实验：实验组1研究压强改变对CO2溶解平衡的影响；实验组2作为补充实验，目的为了探究充入不参与溶解平衡的气体对平衡移动的影响，实验组2以空气为例。实验总体设计如表1所示，前一步操作的最终状态是后一步操作的初始状态，因此在同一实验中可观察溶解平衡的建立、升压与降压过程中的不同变化。装置内气体有新产生的CO2和空气，同一体积下，气体压强实质是各气体的分压之和，因此通过压强的大小变化能推断出CO2浓度的大小变化，进而判断溶解平衡的移动方向。

4.1 二氧化碳溶解实验组（实验组1）

收集二氧化碳实验组数据，绘制曲线如图2所示。为方便讨论，图2作简要标注，详细分析见表1。

4.2 空气对照组（实验组2）

空气中含有N2的体积分数约为78%，O2的体积分数约为21%，常温常压下N2难溶于水，O2微溶于水。收集空气对照组数据，绘制曲线如图3，该图作简要标注，详细分析见表2。

4.3 实验数据分析

（1） 压缩气体时，图2中B1点产生突跃效应的原因：由于CO2是非极性分子，它溶入水的速度较慢［3］，在压缩过程中气体产生压缩热效应，使气体温度升高，压强变大。在回拉注射器时，也产生相似效果（见图2中E1点），体积增大，温度降低，压强变小。

（2） 分析B1～D1段下降耗时长且幅度小的原因：一是CO2在水中扩散系数的数量级为10-5cm2·s-1［4］，扩散阻力很大，溶解速度较慢；二是常温常压下，饱和水溶液里CO2的浓度约为0.035mol·L-1［5］，CO2的溶解度不高。因此在相同原理下，降压时，E1～G1段也呈现耗时长且幅度小的变化。

（3） 图3有类似的突跃点，如B2和E2。空气中O2、 N2等也是非极性分子，它溶入水的速度也较慢，同样这也是由于压缩气体，气体做功，其内能增大，使温度升高所致［6］，气体压强增加。可见普通的注射器与外界存在热传递，若能找到绝热的注射器，实验效果更佳。

（4） 对比两图变化，相同操作后，C1～D1段曲线缓慢下降，C2～D2段曲线保持水平不变。C1～D1段下降的原因是压缩气体时，体积减小，压强增加，CO2溶解平衡向气体分子数减小方向移动，CO2发生溶解，气体压强逐渐下降。C2～D2段压强保持不变，说明空气实验组不存在平衡移动，排除了空气对CO2实验的影响。因此在相同原理下，回拉注射器时，F1～G1段表现为压强逐渐上升，F2～G2段压强保持不变。

4.4 探究二氧化碳溶解速度（拓展实验）

步骤如下：用同一注射器先后收集相同体积的CO2气体和蒸馏水，用胶塞封住针口，垂直静置，观察活塞下移速度。实验现象如下：刚开始，活塞没有明显变化，经过30分钟，活塞有少许下移，振荡注射器，下移速度加快。由实验结果可知，CO2在水中的溶解速度较慢。

在探究压强对CO2溶解平衡影响的实验中，由于CO2溶解速度较慢，气体压强减小不明显，当进行压缩气体时，压缩热效应使气体温度升高，气体压强增大，这就出现了像B1点的突跃效果。相同原理下，在升压时，CO2溶解平衡会发生移动，平衡向气体分子数减小的方向移动，CO2会发生溶解，而由于其溶解速度有限，溶解过程需持续一定时间，这就出现了像图2中C1～D1段缓慢下降的现象。

5 结语

（1） 对比教材实验研究压强对反应N2O4（g）2NO2（g）的化学平衡移动，由于NO2气体有毒，不宜用于学生实验。CO2是一种安全气体，其溶解过程符合化学平衡移动的一般规律，学生能自主完成实验并记录实际变化，发展“变化观念与平衡思想”的核心素养。

（2） CO2溶解平衡受压强影响明显。借助数字传感器技术，收集并处理数据，绘制曲线，帮助学生完成从定性到定量的思维跃迁，提高对图像的分析能力。改变压强前后的曲线变化，一定程度上验证了勒夏特列原理［7］，纠正学生的迷思概念。

（3） CO2溶解平衡涉及教材中多个学习背景，如侯氏制碱法［8］、海洋酸化、血液的酸碱平衡［9］、呼吸中毒等，本实验可做补充案例，帮助学生进一步拓展与探究反应原理。

参考文献：

［1］中国人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018：31.

［2］吴国庆.无机化学［M］.北京：高等教育出版社，2003：567.

［3］［5］陈明元.中学化学中二氧化碳溶于水的问题［J］.化学教学，2014， （9）：93～94．

［4］郑萍，陈明元.相平衡与CO2在水中的扩散速率［J］.贵州教育学院学报（自然科学版）， 2004， 15（2）：70.

［6］陈锦华.两用气体做功内能变化实验仪的创新改进［J］.实验教学与仪器， 2022， 39（6）：27～28.

［7］白俊杰.利用实验教学探究勒夏特列原理的内涵［J］.中小学实验与装备， 2018， （6）：20～21.

［8］人民教育出版社等.普通高中教科书·化学必修1［M］.北京：人民教育出版社， 2019： 37.

［9］人民教育出版社等.普通高中教科书·化学选择性必修1［M］.北京：人民教育出版社， 2020： 65.

（广州市教育科学规划2022年度课题“基于手持技术的高中化学实验教学研究”（课题批准号：202214287）的研究成果。）